• 第3周 用1层隐藏层的神经网络分类二维数据


    课程1 神经网络和深度学习

    第2周 用1层隐藏层的神经网络分类二维数据

    我是参考此博文,完成该作业。

    https://www.heywhale.com/mw/project/5dd3946900b0b900365f3a48

    我是在这个博主下的资源

    https://blog.csdn.net/u013733326/article/details/79702148

    完整的代码实现(过程讲解和练习看上面的链接)

    cd D:\software\OneDrive\桌面\吴恩达深度学习课后作业\第三周-1层隐藏层的神经网络分类二维数据\resource
    
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    D:\software\OneDrive\桌面\吴恩达深度学习课后作业\第三周- 用1层隐藏层的神经网络分类二维数据\resource

    # 引包
    #sklearn:为数据挖掘和数据分析提供的简单高效的工具。
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    from testCases import *
    import sklearn
    import sklearn.datasets
    import sklearn.linear_model
    from planar_utils import plot_decision_boundary, sigmoid, load_planar_dataset, load_extra_datasets
    
    %matplotlib inline
    
    np.random.seed(1) # 设定种子使结果一致
    
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    #加载数据
    X,Y = load_planar_dataset()
    
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    #scatter:用于生成一个scatter散点图
    #X[0,:]:用于获取X的第一行数据
    #s:标量 散点的面积
    #c:散点的颜色
    #cmap:colormap实例;plt.cm.Spectral:在画图时为不同类别的样本分别分配不同的颜色
    plt.scatter(X[0,:],X[1,:],c=Y.reshape(X[0,:].shape),s=40,cmap=plt.cm.Spectral)
    
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    在这里插入图片描述

    #练习:数据集中有多少个训练示例? 另外,变量“ X”和“ Y”的“shape”是什么?
    shape_X = X.shape
    shape_Y = Y.shape
    
    m = shape_X[1]
    print ('The shape of X is: ' + str(shape_X))
    print ('The shape of Y is: ' + str(shape_Y))
    print ('I have m = %d training examples!' % (m))
    
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    The shape of X is: (2, 400)
    The shape of Y is: (1, 400)
    I have m = 400 training examples!

    1、简单Logistic回归(效果不好)

    #sklearn.linear_model.LogisticRegressionCV(): Logistic回归(aka logit,MaxEnt)分类器
    #fit(X,Y):监督学习算法,拟合分类器
    clf = sklearn.linear_model.LogisticRegressionCV()
    clf.fit(X.T, Y.T)
    
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    LogisticRegressionCV(Cs=10, class_weight=None, cv=None, dual=False,
    fit_intercept=True, intercept_scaling=1.0, max_iter=100,
    multi_class=‘ovr’, n_jobs=1, penalty=‘l2’, random_state=None,
    refit=True, scoring=None, solver=‘lbfgs’, tol=0.0001, verbose=0)

    #绘制此模型的决策边界
    #float((np.dot(Y,LR_predictions) + np.dot(1-Y,1-LR_predictions))/float(Y.size)*100)是默认的公式?
    #plot_decision_boundary(lambda x: clf.predict(x), X, Y),出错:将Y改为 np.squeeze(Y)
    plot_decision_boundary(lambda x: clf.predict(x), X, np.squeeze(Y)) #绘制决策边界
    plt.title("Logistic Regression")
    
    LR_predictions = clf.predict(X.T)
    print ('逻辑回归的准确性: %d ' % float((np.dot(Y,LR_predictions) + np.dot(1-Y,1-LR_predictions))/float(Y.size)*100) +
           '% ' + "(percentage of correctly labelled datapoints)")
    
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    逻辑回归的准确性: 47 % (percentage of correctly labelled datapoints)

    在这里插入图片描述

    2、神经网络模型

    “训练带有单个隐藏层的神经网络”

    提示:
    建立神经网络的一般方法是:

    1. 定义神经网络结构(输入单元数,隐藏单元数等)。
    2. 初始化模型的参数
    3. 循环:
      • 实现前向传播
      • 计算损失
      • 后向传播以获得梯度
      • 更新参数(梯度下降)

    (1) 定义神经网络结构

    练习:定义三个变量:
    - n_x:输入层的大小
    - n_h:隐藏层的大小(将其设置为4)
    - n_y:输出层的大小

    提示:使用shape来找到n_x和n_y。 另外,将隐藏层大小硬编码为4。

    def layer_sizes(X, Y):
        n_x = X.shape[0]
        n_h = 4
        n_y = Y.shape[0]
        
        return (n_x,n_h,n_y)
    
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    # 测试layer_sizes函数
    x_assess,y_assess = layer_sizes_test_case()
    (n_x,n_h,n_y) = layer_sizes(x_assess,y_assess)
    print("The size of the input layer is: n_x = " + str(n_x))
    print("The size of the hidden layer is: n_h = " + str(n_h))
    print("The size of the output layer is: n_y = " + str(n_y))
    
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    The size of the input layer is: n_x = 5
    The size of the hidden layer is: n_h = 4
    The size of the output layer is: n_y = 2

    (2) 初始化模型的参数

    说明:
    请确保参数大小正确。 如果需要,也可参考上面的神经网络图。
    使用随机值初始化权重矩阵。
    - 使用:np.random.randn(a,b)* 0.01随机初始化维度为(a,b)的矩阵。
    将偏差向量初始化为零。
    - 使用:np.zeros((a,b)) 初始化维度为(a,b)零的矩阵

    # np.random.seed(n)函数用于生成指定随机数。
    def initialize_parameters(n_x, n_h, n_y):
        np.random.seed(2)
        W1 = np.random.randn(n_h,n_x)*0.01
        b1 = np.zeros((n_h,1))
        W2 = np.random.randn(n_y,n_h)*0.01
        b2 = np.zeros((n_y,1))
        
        assert(W1.shape == (n_h,n_x))
        assert(b1.shape == (n_h,1))
        assert(W2.shape == (n_y,n_h))
        assert(b2.shape == (n_y,1))
        
        parameters = {
            "W1":W1,
            "b1":b1,
            "W2":W2,
            "b2":b2
        }
        return parameters
    
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    # 测试initialize_parameters函数
    n_x,n_h,n_y = initialize_parameters_test_case()
    parameters = initialize_parameters(n_x,n_h,n_y)
    
    print("W1 = " + str(parameters["W1"]))
    print("b1 = " + str(parameters["b1"]))
    print("W2 = " + str(parameters["W2"]))
    print("b2 = " + str(parameters["b2"]))
    
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    W1 = [[-0.00416758 -0.00056267]
    [-0.02136196 0.01640271]
    [-0.01793436 -0.00841747]
    [ 0.00502881 -0.01245288]]
    b1 = [[0.]
    [0.]
    [0.]
    [0.]]
    W2 = [[-0.01057952 -0.00909008 0.00551454 0.02292208]]
    b2 = [[0.]]

    3、循环

    说明:
    在上方查看分类器的数学表示形式。
    你可以使用内置在笔记本中的sigmoid()函数。
    你也可以使用numpy库中的np.tanh()函数。

    必须执行以下步骤:
    1.使用parameters [“ …”]从字典“ parameters”(这是initialize_parameters()的输出)中检索出每个参数。
    2.实现正向传播,计算Z[1]A[1] 和 Z[2],A[2] (所有训练数据的预测结果向量)。
    向后传播所需的值存储在cache中, cache将作为反向传播函数的输入。

    (1)后向传播

    def forward_propagation(X, parameters):
        
        W1 = parameters["W1"]
        b1 = parameters["b1"]
        W2 = parameters["W2"]
        b2 = parameters["b2"]
        
        Z1 = np.dot(W1,X) + b1
        A1 = np.tanh(Z1)
        Z2 = np.dot(W2,A1)+b2
        A2 = sigmoid(Z2)
        
        assert(A2.shape==(1,X.shape[1]))
        
        cache = {
            "Z1":Z1,
            "A1":A1,
            "Z2":Z2,
            "A2":A2
        }
        
        return A2,cache
    
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    #测试forward_propagation函数
    #np.mean:求取均值
    X_assess,parameters = forward_propagation_test_case()
    A2,cache = forward_propagation(X_assess,parameters)
    
    print(np.mean(cache['Z1']) ,np.mean(cache['A1']),np.mean(cache['Z2']),np.mean(cache['A2']))
    
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    -0.0004997557777419902 -0.000496963353231779 0.00043818745095914653 0.500109546852431

    (2) 练习:实现compute_cost()以计算损失J的值。

    def compute_cost(A2, Y, parameters):
        
        m = Y.shape[1]
        
        logprobs = Y*np.log(A2) + (1-Y)* np.log(1-A2)
        cost = -1/m * np.sum(logprobs)
        
        cost = np.squeeze(cost)
        
        assert(isinstance(cost, float))
        
        return cost
    
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    #测试compute_cost函数
    A2, Y, parameters = compute_cost_test_case()
    cost = compute_cost(A2, Y, parameters)
    print("cost="+str(cost))
    
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    cost=0.6929198937761265

    (3)前向传播

    def backward_propagation(parameters, cache, X, Y):
        m = X.shape[1]
        
        W1 = parameters["W1"]
        W2 = parameters["W2"]
        
        A1 = cache["A1"]
        A2 = cache["A2"]
        
        dZ2 = A2-Y
        dW2 = 1/m * np.dot(dZ2,A1.T)
        db2 = 1/m * np.sum(dZ2,axis = 1,keepdims = True)
        
        dZ1 = np.dot(W2.T,dZ2) * (1-np.power(A1,2))
        dW1 = 1/m * np.dot(dZ1,X.T)
        db1 = 1/m * np.sum(dZ1,axis = 1,keepdims = True)
        
        grads = {
            "dW1" : dW1,
            "db1" : db1,
            "dW2" : dW2,
            "db2" : db2
        }
        return grads
    
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    # 测试函数 backward_propagation
    parameters, cache, X_assess, Y_assess = backward_propagation_test_case()
    grads = backward_propagation(parameters, cache, X_assess, Y_assess)
    print ("dW1 = "+ str(grads["dW1"]))
    print ("db1 = "+ str(grads["db1"]))
    print ("dW2 = "+ str(grads["dW2"]))
    print ("db2 = "+ str(grads["db2"]))
    
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    dW1 = [[ 0.01018708 -0.00708701]
    [ 0.00873447 -0.0060768 ]
    [-0.00530847 0.00369379]
    [-0.02206365 0.01535126]]
    db1 = [[-0.00069728]
    [-0.00060606]
    [ 0.000364 ]
    [ 0.00151207]]
    dW2 = [[ 0.00363613 0.03153604 0.01162914 -0.01318316]]
    db2 = [[0.06589489]]

    (4)梯度下降

    def update_parameters(parameters, grads, learning_rate = 1.2):
        
        W1 = parameters["W1"]
        W2 = parameters["W2"]
        b1 = parameters["b1"]
        b2 = parameters["b2"]
        
        dW1 = grads["dW1"]
        dW2 = grads["dW2"]
        db1 = grads["db1"]
        db2 = grads["db2"]
        
        W1 = W1 - learning_rate*dW1
        W2 = W2 - learning_rate*dW2
        b1 = b1 - learning_rate*db1
        b2 = b2 - learning_rate*db2
        
        parameters = {
            "W1":W1,
            "b1":b1,
            "W2":W2,
            "b2":b2
        }
        
        return parameters
    
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    # 测试函数 update_parameters
    parameters, grads = update_parameters_test_case()
    parameters = update_parameters(parameters, grads)
    
    print("W1 = " + str(parameters["W1"]))
    print("b1 = " + str(parameters["b1"]))
    print("W2 = " + str(parameters["W2"]))
    print("b2 = " + str(parameters["b2"]))
    
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    W1 = [[-0.00643025 0.01936718]
    [-0.02410458 0.03978052]
    [-0.01653973 -0.02096177]
    [ 0.01046864 -0.05990141]]
    b1 = [[-1.02420756e-06]
    [ 1.27373948e-05]
    [ 8.32996807e-07]
    [-3.20136836e-06]]
    W2 = [[-0.01041081 -0.04463285 0.01758031 0.04747113]]
    b2 = [[0.00010457]]

    4、在nn_model()中集成1、2和3部分中的函数

    def nn_model(X,Y,n_h, num_iterations = 10000, print_cost=False):
        
        # 1:layer_sizes(X, Y)
        np.random.seed(3)
        n_x = layer_sizes(X, Y)[0]
        n_y = layer_sizes(X, Y)[2]
        
        # 2:initialize_parameters(n_x,n_h,n_y)
        parameters = initialize_parameters(n_x,n_h,n_y)
        W1 = parameters["W1"]
        b1 = parameters["b1"]
        W2 = parameters["W2"]
        b2 = parameters["b2"]
        
        # 3:forward_propagation(X,parameters)
        for i in range(0,num_iterations):
            
            A2, cache = forward_propagation(X, parameters)
            
            cost = compute_cost(A2,Y,parameters)
            
            grads = backward_propagation(parameters, cache, X, Y)
            
            parameters=  update_parameters(parameters, grads)
            
            if print_cost and i % 1000 == 0:
                print("Cost after iteration %i: %f" %(i, cost))
        
        return parameters
    
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    #测试函数 nn_model
    X_assess,Y_assess = nn_model_test_case()
    parameters = nn_model(X_assess,Y_assess,4, num_iterations = 10000, print_cost=False)
    print("W1 = " + str(parameters["W1"]))
    print("b1 = " + str(parameters["b1"]))
    print("W2 = " + str(parameters["W2"]))
    print("b2 = " + str(parameters["b2"]))
    
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    W1 = [[-0.37522457 -0.66412896]
    [ 0.01244063 0.01658567]
    [-0.17662459 -0.2802151 ]
    [-0.0120937 -0.01635778]]
    b1 = [[-1.14066663]
    [-1.69949907]
    [-1.36650217]
    [-1.81190248]]
    W2 = [[ 3.60822483e-17 -2.77555756e-17 2.22044605e-17 6.10622664e-17]]
    b2 = [[-0.26467576]]

    5、预测

    使用你的模型通过构建predict()函数进行预测。
    使用正向传播来预测结果。

    def predict(parameters , X):
        A2,cache = forward_propagation(X,parameters)
        predictions = np.round(A2)
        
        return predictions
    
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    #测试函数predict
    parameters,X_assess = predict_test_case()
    predictions = predict(parameters , X_assess)
    print("predictions mean = " + str(np.mean(predictions)))
    
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    predictions mean = 0.6666666666666666

    # 集成测试数据
    parameters =  nn_model(X,Y,n_h =4, num_iterations = 10000, print_cost=True)
    plot_decision_boundary(lambda x :predict(parameters,x.T),X,Y)
    plt.title("Decision Boundary for hidden layer size " + str(4))
    
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    Cost after iteration 0: 0.693048
    Cost after iteration 1000: 0.288083
    Cost after iteration 2000: 0.254385
    Cost after iteration 3000: 0.233864
    Cost after iteration 4000: 0.226792
    Cost after iteration 5000: 0.222644
    Cost after iteration 6000: 0.219731
    Cost after iteration 7000: 0.217504
    Cost after iteration 8000: 0.219504
    Cost after iteration 9000: 0.218571

    Text(0.5,1,'Decision Boundary for hidden layer size 4')
    
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    在这里插入图片描述

    predictions = predict(parameters,X)
    print ('Accuracy: %d' % float((np.dot(Y,predictions.T) + np.dot(1-Y,1-predictions.T))/float(Y.size)*100) + '%')
    
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    Accuracy: 90%

    #拓展1:调整隐藏层大小
    plt.figure(figsize=(16, 32))
    hidden_layer_sizes = [1, 2, 3, 4, 5, 10, 20]
    for i, n_h in enumerate(hidden_layer_sizes):
        plt.subplot(5, 2, i+1)
        plt.title('Hidden Layer of size %d' % n_h)
        parameters = nn_model(X, Y, n_h, num_iterations = 5000)
        plot_decision_boundary(lambda x: predict(parameters, x.T), X, Y)
        predictions = predict(parameters, X)
        accuracy = float((np.dot(Y,predictions.T) + np.dot(1-Y,1-predictions.T))/float(Y.size)*100)
        print ("Accuracy for {} hidden units: {} %".format(n_h, accuracy))
    
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    Accuracy for 1 hidden units: 67.5 %
    Accuracy for 2 hidden units: 67.25 %
    Accuracy for 3 hidden units: 90.75 %
    Accuracy for 4 hidden units: 90.5 %
    Accuracy for 5 hidden units: 91.25 %
    Accuracy for 10 hidden units: 90.25 %
    Accuracy for 20 hidden units: 90.0 %
    
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    在这里插入图片描述

    # 拓展2:新的数据集
    noisy_circles, noisy_moons, blobs, gaussian_quantiles, no_structure = load_extra_datasets()
    
    datasets = {"noisy_circles": noisy_circles,
                "noisy_moons": noisy_moons,
                "blobs": blobs,
                "gaussian_quantiles": gaussian_quantiles}
    
    ### START CODE HERE ### (choose your dataset)
    dataset = "gaussian_quantiles"
    ### END CODE HERE ###
    
    X, Y = datasets[dataset]
    X, Y = X.T, Y.reshape(1, Y.shape[0])
    
    # make blobs binary
    if dataset == "blobs":
        Y = Y%2
    
    # Visualize the data
    plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=Y.reshape(X[0,:].shape), s=40, cmap=plt.cm.Spectral);
    
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    在这里插入图片描述

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/woailiqi12134/article/details/126104152