神經網絡結構由輸入層,隱藏層和輸出層構成,神經網絡中的每個結點都與上一層全部的結點都有鏈接,咱們稱之爲全鏈接,以下圖html
在圖中的神經網絡中,原始的輸入數據,經過第一層隱含層的計算得出的輸出數據,會傳到第二層隱含層。而第二層的輸出,又會做爲輸出層的輸入數據。python
由下圖可知咱們能夠計算出隱藏層的第一個神經元的值:算法
其中爲激活函數markdown
由下圖可知咱們能夠計算出隱藏層的第二個神經元的值:網絡
由下圖可知咱們能夠計算出隱藏層的第三個神經元的值:app
到此咱們己經算出全部從輸入層到隱藏層的全部值。dom
由下圖可知咱們能夠計算出隱藏層到第一個輸出神經元的值:函數
同理能夠得出,的值:oop
爲了簡化咱們之後的數據處理流程,如今咱們設第層的輸入數據爲向量,權重爲,偏置變量爲。則咱們從上面的求解流程能夠得出層的數據爲:學習
至此神經網絡的前向傳播過程己經講完。
反向轉播的思想就是,咱們經過前向傳播後計算出網絡的輸出值,知道輸出值後咱們就能夠求出輸出層的殘差,再從輸出層反向把殘差傳回各層的神經元中。
假設咱們有一個固定樣本集 ,它包含 個樣例。咱們能夠用批量梯度降低法來求解神經網絡。具體來說,對於單個樣例,其代價函數以下圖(摘自網絡):
咱們能夠定義總體代價函數以下圖(摘自網絡):
以上關於定義中的第一項是一個均方差項。第二項是一個規則化項(也叫權重衰減項),其目的是減少權重的幅度,防止過分擬合。
有了整體代價函數後,咱們的目標能夠轉化成求代價函數的最小值。咱們使用梯度降低算法求代價函數的最小值,因此咱們得出如下公式:
咱們對整體代價函數求偏導:
經過上面兩個式子能夠看出,咱們把問題轉化成求與的值
因此對於第 層(輸出層)的每一個輸出單元 ,咱們根據如下公式計算殘差(下圖摘自網絡):
對 的各個層,第 層的第 個節點的殘差計算方法以下(下圖摘自網絡):
以上逐次從後向前求導的過程即爲「反向傳導」的本意所在。計算咱們須要的偏導數,計算方法以下:
# -*- coding: utf-8 -*- ''' Created on @author: Belle ''' from numpy.random.mtrand import randint import numpy as np '''雙曲函數''' def tanh(value): return (1 / (1 + np.math.e ** (-value))) '''雙曲函數的導數''' def tanhDer(value): tanhValue = tanh(value) return tanhValue * (1 - tanhValue) ''' Bp神經網絡model ''' class BpNeuralNetWorkModel: def __init__(self, trainningSet, label, layerOfNumber, studyRate): '''學習率''' self.studyRate = studyRate '''計算隱藏層神經元的數量''' self.hiddenNeuronNum = int(np.sqrt(trainningSet.shape[1] + label.shape[1]) + randint(1, 10)) '''層數據''' self.layers = [] '''建立輸出層''' currentLayer = Layer() currentLayer.initW(trainningSet.shape[1], self.hiddenNeuronNum) self.layers.append(currentLayer) '''建立隱藏層''' for index in range(layerOfNumber - 1): currentLayer = Layer() self.layers.append(currentLayer) '''輸出層後面不須要求權重值''' if index == layerOfNumber - 2: break nextLayNum = 0 '''初始化各個層的權重置''' if index == layerOfNumber - 3: '''隱藏層到輸出層''' nextLayNum = label.shape[1] else: '''隱藏層到隱藏層''' nextLayNum = self.hiddenNeuronNum currentLayer.initW(self.hiddenNeuronNum, nextLayNum) '''輸出層的分類值''' currentLayer = self.layers[len(self.layers) - 1] currentLayer.label = label '''神經網絡前向傳播''' def forward(self, trainningSet): '''計算輸入層的輸出值''' currentLayer = self.layers[0] currentLayer.alphas = trainningSet currentLayer.caculateOutPutValues() preLayer = currentLayer for index in range(1, len(self.layers)): currentLayer = self.layers[index] '''上一層的out put values就是這一層的zValues''' currentLayer.zValues = preLayer.outPutValues '''計算alphas''' currentLayer.caculateAlphas() '''最後一層不須要求輸出值,只要求出alpha''' if index == len(self.layers) - 1: break '''輸入層計算out puts''' currentLayer.caculateOutPutValues() '''指向上一層的layer''' preLayer = currentLayer '''神經網絡後向傳播''' def backPropogation(self): layerCount = len(self.layers) '''輸出層的殘差值''' currentLayer = self.layers[layerCount - 1] currentLayer.caculateOutPutLayerError() '''輸出層到隱藏層''' preLayer = currentLayer layerCount = layerCount - 1 while layerCount >= 1: '''當前層''' currentLayer = self.layers[layerCount - 1] '''更新權重''' currentLayer.updateWeight(preLayer.errors, self.studyRate) if layerCount != 1: currentLayer.culateLayerError(preLayer.errors) layerCount = layerCount - 1 preLayer = currentLayer ''' 建立層 ''' class Layer: def __init__(self): self.b = 0 '''使用正態分佈的隨機值初始化w的值''' def initW(self, numOfAlpha, nextLayNumOfAlpha): self.w = np.mat(np.random.randn(nextLayNumOfAlpha, numOfAlpha)) '''計算當前層的alphas''' def caculateAlphas(self): '''alpha = f(z)''' self.alphas = np.mat([tanh(self.zValues[row1,0]) for row1 in range(len(self.zValues))]) '''求f'(z)的值(即f的導數值)''' self.zDerValues = np.mat([tanhDer(self.zValues[row1,0]) for row1 in range(len(self.zValues))]) '''計算out puts''' def caculateOutPutValues(self): '''計算當前層z = w * alpha的的下一層的輸入值''' self.outPutValues = self.w * self.alphas.T + self.b '''計算輸出層的殘差''' def caculateOutPutLayerError(self): self.errors = np.multiply(-(self.label - self.alphas), self.zDerValues) print("out put layer alphas ..." + str(self.alphas)) '''計算其它層的殘差''' def culateLayerError(self, preErrors): self.errors = np.mat([(self.w[:,column].T * preErrors.T * self.zDerValues[:,column])[0,0] for column in range(self.w.shape[1])]) '''更新權重''' def updateWeight(self, preErrors, studyRate): data = np.zeros((preErrors.shape[1], self.alphas.shape[1])) for index in range(preErrors.shape[1]): data[index,:] = self.alphas * (preErrors[:,index][0,0]) self.w = self.w - studyRate * data ''' 訓練神經網絡模型 @param train_set: 訓練樣本 @param labelOfNumbers: 訓練總類別 @param layerOfNumber: 神經網絡層數,包括輸出層,隱藏層和輸出層(默認只有一個輸入層,隱藏層和輸出層) ''' def train(train_set, label, layerOfNumber = 3, sampleTrainningTime = 5000, studyRate = 0.6): neuralNetWork = BpNeuralNetWorkModel(train_set, label, layerOfNumber, studyRate) '''訓練數據''' for row in range(train_set.shape[0]): '''當個樣本使用梯度降低的方法訓練sampleTrainningTime次''' for time in range(sampleTrainningTime): '''前向傳播 ''' neuralNetWork.forward(train_set[row,:]) '''反向傳播''' neuralNetWork.backPropogation() 複製代碼
測試代碼
# -*- coding: utf-8 -*- ''' Created on 2018��5��27�� @author: Belle ''' import BpNeuralNetWork import numpy as np train_set = np.mat([[0.05, 0.1], [0.3, 0.2]]) labelOfNumbers = np.mat([0.1, 0.99, 0.3]) layerOfNumber = 4 bpNeuralNetWork = BpNeuralNetWork.train(train_set, labelOfNumbers, layerOfNumber) 複製代碼
如下是測試代碼的輸出值