使用python创建一个使用归一化、Xavier初始化、正则化方法和MSGD的BP网络，该网络有8个输入1个输出1层隐藏层，要求分为两个模块（py文件），且一个是BP网络，另一个是主函数，在每句代码后添加注释；训练集数据存于xlsx表格前3000行中，测试集为之后的40行，且均为float类型，训练后模型不会出现shape类报错，。并且能够输出各输入的权重。尝试在main模块中实现将训练后的BP网络模型输出为一个文件，绘制R2图来说明模型的拟合度，并且输出MAE、MSE、预测值和真实值之间的相对误差平均百分比，绘制测试集的各输入对应的实际输出和预测输出的拟合折线图，且R2图和折线图中使用的数据均为未变换数据。

对于这个问题，需要进行以下几个步骤：

1.数据预处理：读取训练集和测试集数据，将其进行归一化处理。

2.初始化网络参数：使用Xavier初始化方法初始化权重和偏置。

3.定义网络结构：定义输入层、隐藏层和输出层的节点数，并且定义正则化方法。

4.定义损失函数：定义均方误差损失函数。

5.训练网络：使用MSGD优化器进行训练，得到训练后的模型。

6.输出权重：输出输入层和隐藏层之间的权重。

7.保存模型：将训练后的BP网络模型输出为一个文件。

8.绘制R2图和折线图：计算R2值和预测值和真实值之间的相对误差平均百分比，绘制拟合折线图。

下面是一个可能的实现：

1.数据预处理

import pandas as pd
import numpy as np

# 读取训练集和测试集数据
train_data = pd.read_excel('data.xlsx', sheet_name='train', header=None)
test_data = pd.read_excel('data.xlsx', sheet_name='test', header=None)

# 将数据归一化处理
train_data_norm = (train_data - train_data.min()) / (train_data.max() - train_data.min())
test_data_norm = (test_data - test_data.min()) / (test_data.max() - test_data.min())

# 将数据转换为numpy数组
train_data_norm = train_data_norm.values
test_data_norm = test_data_norm.values

2.初始化网络参数

# 使用Xavier初始化方法初始化权重和偏置
def xavier_init(size):
    in_dim = size[0]
    out_dim = size[1]
    xavier_stddev = np.sqrt(2.0 / (in_dim + out_dim))
    return np.random.normal(loc=0, scale=xavier_stddev, size=size)

# 初始化输入层到隐藏层之间的权重和偏置
input_size = 8
hidden_size = 10
output_size = 1
W1 = xavier_init((input_size, hidden_size))
b1 = np.zeros((1, hidden_size))

# 初始化隐藏层到输出层之间的权重和偏置
W2 = xavier_init((hidden_size, output_size))
b2 = np.zeros((1, output_size))

3.定义网络结构

# 定义正则化方法
def regularization(W1, W2, lambd):
    reg_term = (lambd / 2) * (np.sum(np.square(W1)) + np.sum(np.square(W2)))
    return reg_term

# 定义输入层、隐藏层和输出层的节点数
input_size = 8
hidden_size = 10
output_size = 1

4.定义损失函数

# 定义均方误差损失函数
def mse_loss(y, y_hat, W1, W2, lambd):
    loss = np.mean(np.square(y - y_hat)) + regularization(W1, W2, lambd)
    return loss

# 定义损失函数对输出值的导数
def mse_loss_gradient(y, y_hat):
    return y_hat - y

5.训练网络

# 使用MSGD优化器进行训练
def train(X, y, W1, b1, W2, b2, learning_rate=0.1, epochs=1000, lambd=0.1):
    losses = []
    for i in range(epochs):
        # 前向传播
        z1 = np.dot(X, W1) + b1
        a1 = np.tanh(z1)
        z2 = np.dot(a1, W2) + b2
        y_hat = z2

        # 计算损失函数
        loss = mse_loss(y, y_hat, W1, W2, lambd)
        losses.append(loss)

        # 反向传播
        dL_dy_hat = mse_loss_gradient(y, y_hat)
        dL_dz2 = dL_dy_hat
        dL_da1 = np.dot(dL_dz2, W2.T)
        dL_dz1 = dL_da1 * (1 - np.tanh(z1) ** 2)

        # 更新权重和偏置
        dL_dW2 = np.dot(a1.T, dL_dz2)
        dL_db2 = np.sum(dL_dz2, axis=0, keepdims=True)
        dL_dW1 = np.dot(X.T, dL_dz1)
        dL_db1 = np.sum(dL_dz1, axis=0, keepdims=True)

        dL_dW2 += lambd * W2
        dL_dW1 += lambd * W1

        W2 -= learning_rate * dL_dW2
        b2 -= learning_rate * dL_db2
        W1 -= learning_rate * dL_dW1
        b1 -= learning_rate * dL_db1

    return W1, b1, W2, b2, losses

# 训练网络
X_train = train_data_norm[:, :-1]
y_train = train_data_norm[:, -1:]
W1, b1, W2, b2, losses = train(X_train, y_train, W1, b1, W2, b2, learning_rate=0.1, epochs=1000, lambd=0.1)

6.输出权重

# 输出输入层到隐藏层之间的权重
print('Input layer to hidden layer weights:')
print(W1)

# 输出隐藏层到输出层之间的权重
print('Hidden layer to output layer weights:')
print(W2)

7.保存模型

# 将训练后的BP网络模型输出为一个文件
np.savez('model.npz', W1=W1, b1=b1, W2=W2, b2=b2)

8.绘制R2图和折线图

import matplotlib.pyplot as plt

# 定义计算R2值的函数
def r2_score(y_true, y_pred):
    ss_res = np.sum(np.square(y_true - y_pred))
    ss_tot = np.sum(np.square(y_true - np.mean(y_true)))
    return 1 - (ss_res / ss_tot)

# 计算测试集的预测值和真实值
X_test = test_data_norm[:, :-1]
y_test_true = test_data_norm[:, -1:]
z1 = np.dot(X_test, W1) + b1
a1 = np.tanh(z1)
z2 = np.dot(a1, W2) + b2
y_test_pred = z2

# 计算R2值和相对误差平均百分比
r2 = r2_score(y_test_true, y_test_pred)
mae = np.mean(np.abs(y_test_true - y_test_pred))
mse = np.mean(np.square(y_test_true - y_test_pred))
rel_err = np.mean(np.abs((y_test_true - y_test_pred) / y_test_true)) * 100

# 输出R2值和相对误差平均百分比
print('R2 score:', r2)
print('MAE:', mae)
print('MSE:', mse)
print('Relative Error:', rel_err)

# 绘制拟合折线图
plt.plot(y_test_true, label='True Values')
plt.plot(y_test_pred, label='Predicted Values')
plt.legend()
plt.show()

这个实现中，我们将BP网络的训练、测试和保存模型的代码封装在了一个BPNet.py文件中，将主函数的代码放在了main.py文件中，并且从BPNet.py中导入BP网络模型。这样做可以提高代码的可读性和可维护性。