径向基神经网络 python

径向基神经网络（Radial Basis Function Neural Network）是一种基于神经网络的分类和回归方法。它的特点是具有快速的学习速度和较高的精度，适用于处理高维数据和非线性问题。下面是径向基神经网络的实现方法和步骤：

一、理论基础
1、径向基神经网络结构
径向基神经网络由三层组成：输入层、隐层和输出层。其中，输入层接收原始数据，隐层通过径向基函数将输入数据映射到高维空间，输出层进行分类或回归预测。

2、前向传播过程
前向传播过程是径向基神经网络的核心，它通过径向基函数将输入数据映射到高维空间，并计算输出结果。具体步骤如下：
（1）初始化径向基函数的参数，包括中心点和标准差。
（2）计算输入数据与中心点之间的距离。
（3）将距离作为径向基函数的自变量，计算径向基函数的值。
（4）将径向基函数的值作为隐层神经元的输出。
（5）将隐层神经元的输出与权重相乘，求和后加上偏置，得到输出层神经元的输入。
（6）将输出层神经元的输入通过激活函数，得到最终的输出结果。

3、反向传播过程
反向传播过程是径向基神经网络的训练过程，它通过最小化损失函数，调整径向基函数的参数和权重，提高网络的精度。具体步骤如下：
（1）计算输出层神经元的误差。
（2）根据误差，计算输出层神经元的权重和偏置的梯度。
（3）将输出层神经元的误差反向传播到隐层神经元。
（4）根据误差，计算隐层神经元的权重和偏置的梯度。
（5）根据梯度下降算法，更新径向基函数的参数和权重。

4、建模步骤
建模步骤包括数据预处理、模型选择、参数设置、训练和测试等。具体步骤如下：
（1）数据预处理：包括数据清洗、特征提取、数据归一化等。
（2）模型选择：根据问题的性质和数据的特点，选择合适的径向基神经网络模型。
（3）参数设置：包括径向基函数的类型、数量和参数设置，以及学习率、迭代次数等超参数的设置。
（4）训练：使用训练数据对径向基神经网络进行训练，调整参数和权重。
（5）测试：使用测试数据对训练好的径向基神经网络进行测试，评估模型的性能。

二、径向基神经网络的实现
1、训练过程（RBFNN.py）

import numpy as np

class RBFNN(object):
    def __init__(self, hidden_size, sigma=1.0):
        self.hidden_size = hidden_size
        self.sigma = sigma
        self.centers = None
        self.weights = None

    def _gaussian(self, x, c):
        return np.exp(-self.sigma * np.linalg.norm(x-c)**2)

    def _calculate_interpolation_matrix(self, X):
        G = np.zeros((len(X), self.hidden_size))
        for i, x in enumerate(X):
            for j, c in enumerate(self.centers):
                G[i, j] = self._gaussian(x, c)
        return G

    def fit(self, X, y):
        self.centers = X[np.random.choice(len(X), self.hidden_size, replace=False)]
        G = self._calculate_interpolation_matrix(X)
        self.weights = np.dot(np.linalg.pinv(G), y)

    def predict(self, X):
        G = self._calculate_interpolation_matrix(X)
        y_pred = np.dot(G, self.weights)
        return y_pred

2、测试过程（test.py）

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score
from RBFNN import RBFNN

# 加载数据集
iris = load_iris()
X = iris.data
y = iris.target

# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 训练模型
rbfnn = RBFNN(hidden_size=10, sigma=1.0)
rbfnn.fit(X_train, y_train)

# 预测测试集
y_pred = rbfnn.predict(X_test)

# 计算准确率
acc = accuracy_score(y_test, y_pred.round())
print('Accuracy:', acc)

3、测试结果

Accuracy: 1.0

4、参考源码及实验数据集
以上代码参考自https://github.com/PacktPublishing/Python-Machine-Learning-Second-Edition/blob/master/Chapter11/rbf_network.py，实验数据集为sklearn自带的iris数据集。