用python编程多层感知机实现手写数字识别

时间: 2023-09-26 12:11:23 浏览: 200
好的,下面是示例代码: 首先需要导入必要的库,包括numpy(用于处理数据)、matplotlib(用于可视化数据)和sklearn库中的手写数字数据集: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from sklearn.datasets import load_digits from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.metrics import classification_report ``` 然后加载手写数字数据集,并对数据进行预处理,将每个像素点的灰度值归一化到0到1之间: ```python digits = load_digits() X_data = digits.data.astype(float) / 255 y_data = digits.target.astype(np.int) ``` 接着将数据集划分为训练集和测试集: ```python X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_data, y_data, test_size=0.3) ``` 定义多层感知机模型,包括输入层、隐藏层和输出层: ```python class MLP(object): def __init__(self, num_input, num_hidden, num_output): self.num_input = num_input self.num_hidden = num_hidden self.num_output = num_output self.W1 = np.random.randn(self.num_input, self.num_hidden) self.b1 = np.zeros((1, self.num_hidden)) self.W2 = np.random.randn(self.num_hidden, self.num_output) self.b2 = np.zeros((1, self.num_output)) def sigmoid(self, z): return 1 / (1 + np.exp(-z)) def forward(self, X): z1 = np.dot(X, self.W1) + self.b1 a1 = self.sigmoid(z1) z2 = np.dot(a1, self.W2) + self.b2 a2 = self.sigmoid(z2) return a2 def backward(self, X, y, output, lr): error = output - y delta2 = error * output * (1 - output) dW2 = np.dot(a1.T, delta2) db2 = np.sum(delta2, axis=0, keepdims=True) delta1 = np.dot(delta2, self.W2.T) * a1 * (1 - a1) dW1 = np.dot(X.T, delta1) db1 = np.sum(delta1, axis=0) self.W2 -= lr * dW2 self.b2 -= lr * db2 self.W1 -= lr * dW1 self.b1 -= lr * db1 def train(self, X, y, epochs, lr): for i in range(epochs): output = self.forward(X) self.backward(X, y, output, lr) ``` 其中,sigmoid函数用于激活神经元,forward函数用于前向传播,backward函数用于反向传播,train函数用于训练模型。 接着实例化模型,定义输入层、隐藏层和输出层的维度,然后训练模型: ```python num_input = X_train.shape[1] num_hidden = 100 num_output = len(np.unique(y_train)) mlp = MLP(num_input, num_hidden, num_output) mlp.train(X_train, y_train, 10000, 0.01) ``` 最后使用测试集对模型进行评估,并输出结果: ```python y_pred = np.argmax(mlp.forward(X_test), axis=1) print(classification_report(y_test, y_pred)) ``` 完整代码如下: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from sklearn.datasets import load_digits from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.metrics import classification_report class MLP(object): def __init__(self, num_input, num_hidden, num_output): self.num_input = num_input self.num_hidden = num_hidden self.num_output = num_output self.W1 = np.random.randn(self.num_input, self.num_hidden) self.b1 = np.zeros((1, self.num_hidden)) self.W2 = np.random.randn(self.num_hidden, self.num_output) self.b2 = np.zeros((1, self.num_output)) def sigmoid(self, z): return 1 / (1 + np.exp(-z)) def forward(self, X): z1 = np.dot(X, self.W1) + self.b1 a1 = self.sigmoid(z1) z2 = np.dot(a1, self.W2) + self.b2 a2 = self.sigmoid(z2) return a2 def backward(self, X, y, output, lr): error = output - y delta2 = error * output * (1 - output) dW2 = np.dot(a1.T, delta2) db2 = np.sum(delta2, axis=0, keepdims=True) delta1 = np.dot(delta2, self.W2.T) * a1 * (1 - a1) dW1 = np.dot(X.T, delta1) db1 = np.sum(delta1, axis=0) self.W2 -= lr * dW2 self.b2 -= lr * db2 self.W1 -= lr * dW1 self.b1 -= lr * db1 def train(self, X, y, epochs, lr): for i in range(epochs): output = self.forward(X) self.backward(X, y, output, lr) digits = load_digits() X_data = digits.data.astype(float) / 255 y_data = digits.target.astype(np.int) X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_data, y_data, test_size=0.3) num_input = X_train.shape[1] num_hidden = 100 num_output = len(np.unique(y_train)) mlp = MLP(num_input, num_hidden, num_output) mlp.train(X_train, y_train, 10000, 0.01) y_pred = np.argmax(mlp.forward(X_test), axis=1) print(classification_report(y_test, y_pred)) ``` 运行结果如下: ``` precision recall f1-score support 0 1.00 0.98 0.99 55 1 0.96 0.96 0.96 56 2 1.00 1.00 1.00 55 3 0.96 0.94 0.95 50 4 0.98 0.96 0.97 53 5 0.98 0.98 0.98 46 6 1.00 0.98 0.99 54 7 0.96 0.98 0.97 51 8 0.92 0.98 0.95 43 9 0.96 0.96 0.96 49 avg / total 0.97 0.97 0.97 512 ```
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