这是我对深度学习类(class)中 Andrew NG 的神经网络之一的自定义扩展,我正在尝试为二进制分类生成 0 或 1,而不是生成 0 或 1
对多个示例进行分类。
输入和输出都是一种热编码。
在没有太多训练的情况下,我的准确度为 'train accuracy: 67.51658067499625 %'
如何对单个训练示例进行分类而不是对所有训练示例进行分类?
我认为我的实现中存在一个错误,因为该网络的一个问题是训练示例 (train_set_x) 和输出值 (train_set_y) 都需要具有相同的维度,否则会收到与矩阵维度相关的错误。
例如使用:
train_set_x = np.array([
[1,1,1,1],[0,1,1,1],[0,0,1,1]
])
train_set_y = np.array([
[1,1,1],[1,1,0],[1,1,1]
])
ValueError Traceback (most recent call last)
<ipython-input-11-0d356e8d66f3> in <module>()
27 print(A)
28
---> 29 np.multiply(train_set_y,A)
30
31 def initialize_with_zeros(numberOfTrainingExamples):
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import h5py
import scipy
from scipy import ndimage
import pandas as pd
%matplotlib inline
train_set_x = np.array([
[1,1,1,1],[0,1,1,1],[0,0,1,1]
])
train_set_y = np.array([
[1,1,1,0],[1,1,0,0],[1,1,1,1]
])
numberOfFeatures = 4
numberOfTrainingExamples = 3
def sigmoid(z):
s = 1 / (1 + np.exp(-z))
return s
w = np.zeros((numberOfTrainingExamples , 1))
b = 0
A = sigmoid(np.dot(w.T , train_set_x))
print(A)
np.multiply(train_set_y,A)
def initialize_with_zeros(numberOfTrainingExamples):
w = np.zeros((numberOfTrainingExamples , 1))
b = 0
return w, b
def propagate(w, b, X, Y):
m = X.shape[1]
A = sigmoid(np.dot(w.T , X) + b)
cost = -(1/m)*np.sum(np.multiply(Y,np.log(A)) + np.multiply((1-Y),np.log(1-A)), axis=1)
dw = ( 1 / m ) * np.dot( X, ( A - Y ).T ) # consumes ( A - Y )
db = ( 1 / m ) * np.sum( A - Y ) # consumes ( A - Y ) again
# cost = np.squeeze(cost)
grads = {"dw": dw,
"db": db}
return grads, cost
def optimize(w, b, X, Y, num_iterations, learning_rate, print_cost = True):
costs = []
for i in range(num_iterations):
grads, cost = propagate(w, b, X, Y)
dw = grads["dw"]
db = grads["db"]
w = w - (learning_rate * dw)
b = b - (learning_rate * db)
if i % 100 == 0:
costs.append(cost)
if print_cost and i % 10000 == 0:
print(cost)
params = {"w": w,
"b": b}
grads = {"dw": dw,
"db": db}
return params, grads, costs
def model(X_train, Y_train, num_iterations, learning_rate = 0.5, print_cost = False):
w, b = initialize_with_zeros(numberOfTrainingExamples)
parameters, grads, costs = optimize(w, b, X_train, Y_train, num_iterations, learning_rate, print_cost = True)
w = parameters["w"]
b = parameters["b"]
Y_prediction_train = sigmoid(np.dot(w.T , X_train) + b)
print("train accuracy: {} %".format(100 - np.mean(np.abs(Y_prediction_train - Y_train)) * 100))
model(train_set_x, train_set_y, num_iterations = 20000, learning_rate = 0.0001, print_cost = True)
(train_set_x , train_set_y)必须包含相同的维度。可以指出应该如何修改线性代数的方向吗?train_set_x = np.array([
[1,1,1,1,1],[0,1,1,1,1],[0,0,1,1,0],[0,0,1,0,1]
])
train_set_y = np.array([
[1,0,0],[0,0,1],[0,1,0],[1,0,1]
])
grads = model(train_set_x, train_set_y, num_iterations = 20000, learning_rate = 0.001, print_cost = True)
# To classify single training example :
print(sigmoid(dw @ [0,0,1,1,0] + db))
-2.09657359028
-3.94918577439
[[ 0.74043089 0.32851512 0.14776077 0.77970162]
[ 0.04810012 0.08033521 0.72846174 0.1063849 ]
[ 0.25956911 0.67148488 0.22029838 0.85223923]]
[[1 0 0 1]
[0 0 1 0]
[0 1 0 1]]
train accuracy: 79.84462279013312 %
[[ 0.51309252 0.48853845 0.50945862]
[ 0.5110232 0.48646923 0.50738869]
[ 0.51354109 0.48898712 0.50990734]]
print(sigmoid(dw @ [0,0,1,1,0] + db))产生一个曾经舍入匹配的向量 train_set_y对应值:[0,1,0] ?[0,0,1,1,0] 添加到 numpy 数组并进行转置):print(sigmoid(dw @ np.array([[0,0,1,1,0]]).T + db))
array([[ 0.51309252],
[ 0.48646923],
[ 0.50990734]])
[1,0,1]当[0,1,0]是期待。最佳答案
您的困难来自不匹配的维度,所以让我们解决问题并尝试解决问题。
您的网络有许多输入和功能,让我们称其为 N_in ( numberOfFeatures 在您的代码中)。它有许多对应于不同类别的输出,我们称其为 N_out .输入和输出通过权重连接 w .
现在问题来了。连接是多对多的,所以我们需要为 N_out x N_in 中的每一个添加一个权重。成对的输出和输入。因此在您的代码中 w 的形状必须改为 (N_out, N_in) .您可能还需要一个偏移量 b对于每个输出,所以 b 应该是大小为 (N_out,) 的向量或者更确切地说 (N_out, 1)所以它适用于 2d 术语。
我已经在下面的修改后的代码中修复了这个问题,并试图让它变得非常明确。我还提出了一个模拟数据创建者的讨价还价。
关于 one-hot 编码的分类输出,我不是神经网络方面的专家,但我认为,大多数人都理解它,因此类是互斥的,因此模拟输出中的每个样本都应该有一个 1,其余的都是 0。
边注:
有一次,一个竞争性的答案建议您摆脱 1-...成本函数中的术语。虽然这对我来说似乎是一个有趣的想法,但我的直觉( 编辑 现在使用无梯度最小化器确认;在下面的代码中使用 activation="hybrid"。求解器将简单地最大化所有至少在一个训练示例。)它不会像那样工作,因为成本将无法惩罚误报(详细说明见下文)。为了使它工作,你必须添加某种正则化。一种似乎有效的方法是使用 softmax而不是 sigmoid . softmax是为了一热么sigmoid是二进制。它确保输出是“模糊一热”。
因此我的建议是:
sigmoid并且没有明确强制执行 one-hot 预测。保留 1-...学期。 softmax而不是 sigmoid . activation="sigmoid"|"softmax"|"hybrid"在模型之间切换的代码的参数。我还提供了 scipy 通用最小化器,当成本梯度不可用时,它可能很有用。-y log (y') - (1-y) log (1-y')
-log (y') if y = 1
-log(1-y') if y = 0
(1-y) log (1-y')这个机制的一半消失了。如果预期响应为 1,低预测仍然会产生成本,但如果预期响应为 0,成本将为零,无论预测如何,特别是高预测(或误报)将不受惩罚。softmax 为什么它会起作用?而不是 sigmoid ?误报仍然是不可见的。现在很容易看出 softmax 的所有类的总和是 1。因此,如果至少减少另一类以进行补偿,我只能增加对一类的预测。特别是,没有假阴性就不可能有假阳性,而成本将检测到假阴性。predict ,实现。import numpy as np
from scipy import optimize as opt
from collections import namedtuple
# First, a few structures to keep ourselves organized
Problem_Size = namedtuple('Problem_Size', 'Out In Samples')
Data = namedtuple('Data', 'Out In')
Network = namedtuple('Network', 'w b activation cost gradient most_likely')
def get_dims(Out, In, transpose=False):
"""extract dimensions and ensure everything is 2d
return Data, Dims"""
# gracefully acccept lists etc.
Out, In = np.asanyarray(Out), np.asanyarray(In)
if transpose:
Out, In = Out.T, In.T
# if it's a single sample make sure it's n x 1
Out = Out[:, None] if len(Out.shape) == 1 else Out
In = In[:, None] if len(In.shape) == 1 else In
Dims = Problem_Size(Out.shape[0], *In.shape)
if Dims.Samples != Out.shape[1]:
raise ValueError("number of samples must be the same for Out and In")
return Data(Out, In), Dims
def sigmoid(z):
s = 1 / (1 + np.exp(-z))
return s
def sig_cost(Net, data):
A = process(data.In, Net)
logA = np.log(A)
return -(data.Out * logA + (1-data.Out) * (1-logA)).sum(axis=0).mean()
def sig_grad (Net, Dims, data):
A = process(data.In, Net)
return dict(dw = (A - data.Out) @ data.In.T / Dims.Samples,
db = (A - data.Out).mean(axis=1, keepdims=True))
def sig_ml(z):
return np.round(z).astype(int)
def sof_ml(z):
hot = np.argmax(z, axis=0)
z = np.zeros(z.shape, dtype=int)
z[hot, np.arange(len(hot))] = 1
return z
def softmax(z):
z = z - z.max(axis=0, keepdims=True)
z = np.exp(z)
return z / z.sum(axis=0, keepdims=True)
def sof_cost(Net, data):
A = process(data.In, Net)
logA = np.log(A)
return -(data.Out * logA).sum(axis=0).mean()
sof_grad = sig_grad
def get_net(Dims, activation='softmax'):
activation, cost, gradient, ml = {
'sigmoid': (sigmoid, sig_cost, sig_grad, sig_ml),
'softmax': (softmax, sof_cost, sof_grad, sof_ml),
'hybrid': (sigmoid, sof_cost, None, sig_ml)}[activation]
return Network(w=np.zeros((Dims.Out, Dims.In)),
b=np.zeros((Dims.Out, 1)),
activation=activation, cost=cost, gradient=gradient,
most_likely=ml)
def process(In, Net):
return Net.activation(Net.w @ In + Net.b)
def propagate(data, Dims, Net):
return Net.gradient(Net, Dims, data), Net.cost(Net, data)
def optimize_no_grad(Net, Dims, data):
def f(x):
Net.w[...] = x[:Net.w.size].reshape(Net.w.shape)
Net.b[...] = x[Net.w.size:].reshape(Net.b.shape)
return Net.cost(Net, data)
x = np.r_[Net.w.ravel(), Net.b.ravel()]
res = opt.minimize(f, x, options=dict(maxiter=10000)).x
Net.w[...] = res[:Net.w.size].reshape(Net.w.shape)
Net.b[...] = res[Net.w.size:].reshape(Net.b.shape)
def optimize(Net, Dims, data, num_iterations, learning_rate, print_cost = True):
w, b = Net.w, Net.b
costs = []
for i in range(num_iterations):
grads, cost = propagate(data, Dims, Net)
dw = grads["dw"]
db = grads["db"]
w -= learning_rate * dw
b -= learning_rate * db
if i % 100 == 0:
costs.append(cost)
if print_cost and i % 10000 == 0:
print(cost)
return grads, costs
def model(X_train, Y_train, num_iterations, learning_rate = 0.5, print_cost = False, activation='sigmoid'):
data, Dims = get_dims(Y_train, X_train, transpose=True)
Net = get_net(Dims, activation)
if Net.gradient is None:
optimize_no_grad(Net, Dims, data)
else:
grads, costs = optimize(Net, Dims, data, num_iterations, learning_rate, print_cost = True)
Y_prediction_train = process(data.In, Net)
print(Y_prediction_train)
print(data.Out)
print(Y_prediction_train.sum(axis=0))
print("train accuracy: {} %".format(100 - np.mean(np.abs(Y_prediction_train - data.Out)) * 100))
return Net
def predict(In, Net, probability=False):
In = np.asanyarray(In)
is1d = In.ndim == 1
if is1d:
In = In.reshape(-1, 1)
Out = process(In, Net)
if not probability:
Out = Net.most_likely(Out)
if is1d:
Out = Out.reshape(-1)
return Out
def create_data(Dims):
Out = np.zeros((Dims.Out, Dims.Samples), dtype=int)
Out[np.random.randint(0, Dims.Out, (Dims.Samples,)), np.arange(Dims.Samples)] = 1
In = np.random.randint(0, 2, (Dims.In, Dims.Samples))
return Data(Out, In)
train_set_x = np.array([
[1,1,1,1,1],[0,1,1,1,1],[0,0,1,1,0],[0,0,1,0,1]
])
train_set_y = np.array([
[1,0,0],[1,0,0],[0,0,1],[0,0,1]
])
Net1 = model(train_set_x, train_set_y, num_iterations = 20000, learning_rate = 0.001, print_cost = True, activation='sigmoid')
Net2 = model(train_set_x, train_set_y, num_iterations = 20000, learning_rate = 0.001, print_cost = True, activation='softmax')
Net3 = model(train_set_x, train_set_y, num_iterations = 20000, learning_rate = 0.001, print_cost = True, activation='hybrid')
Dims = Problem_Size(8, 100, 50)
data = create_data(Dims)
model(data.In.T, data.Out.T, num_iterations = 40000, learning_rate = 0.001, print_cost = True, activation='softmax')
model(data.In.T, data.Out.T, num_iterations = 40000, learning_rate = 0.001, print_cost = True, activation='sigmoid')
关于python - 修改神经网络对单个示例进行分类,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/47308181/
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