def sigmoid_prime(self, z): return self.sigmoid(z) * (1 - self.sigmoid(z))

时间: 2024-03-11 11:35:14 浏览: 107
这是一个神经网络中常用的sigmoid函数的导数,也称为sigmoid函数的导函数,用于计算反向传播中的梯度。其中,sigmoid函数本身是一个S形曲线,将输入值映射到0到1之间的输出值。其导数则是根据链式法则计算得到的,可以表示为sigmoid函数输出值关于输入值的导数,即sigmoid函数的输出值乘以1减去该输出值。
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以输入为[1 0 0;0 1 0;0 0 1]输出为[1 0; 0 0.5;0 1]为训练样本为例,完成BP神经网络的设计及仿真训练

好的,这里我将为你介绍如何完成BP神经网络的设计及仿真训练。 首先,我们需要导入一些必要的库。在这里,我将使用Python中的numpy库来处理矩阵和向量运算。你可以使用以下命令安装numpy库: ``` pip install numpy ``` 接下来,我们将定义一个BP神经网络类,该类将包含以下方法: - 构造函数:初始化神经网络的层数、各层神经元个数、学习率以及权重和偏置的初始化方式。 - 前向传播:将输入信号通过神经网络的各层进行推导,并返回输出结果。 - 反向传播:根据输出误差和神经网络的权重,计算各层的误差,并更新权重和偏置。 - 训练模型:使用给定的训练数据集对神经网络进行训练,并输出训练误差。 下面是BP神经网络类的代码实现: ```python import numpy as np class BPNeuralNetwork: def __init__(self, layer_sizes, learning_rate, weight_init='random', bias_init='zeros'): self.layer_sizes = layer_sizes self.learning_rate = learning_rate self.weights = [] self.biases = [] if weight_init == 'random': for i in range(1, len(layer_sizes)): self.weights.append(np.random.randn(layer_sizes[i], layer_sizes[i-1])) elif weight_init == 'zeros': for i in range(1, len(layer_sizes)): self.weights.append(np.zeros((layer_sizes[i], layer_sizes[i-1]))) if bias_init == 'zeros': for i in range(1, len(layer_sizes)): self.biases.append(np.zeros((layer_sizes[i], 1))) def sigmoid(self, z): return 1 / (1 + np.exp(-z)) def sigmoid_prime(self, z): return self.sigmoid(z) * (1 - self.sigmoid(z)) def forward(self, x): a = x for w, b in zip(self.weights, self.biases): z = np.dot(w, a) + b a = self.sigmoid(z) return a def backward(self, x, y): a = x activations = [x] zs = [] for w, b in zip(self.weights, self.biases): z = np.dot(w, a) + b zs.append(z) a = self.sigmoid(z) activations.append(a) delta = (activations[-1] - y) * self.sigmoid_prime(zs[-1]) deltas = [delta] for w, z in zip(reversed(self.weights[1:]), reversed(zs[:-1])): delta = np.dot(w.T, delta) * self.sigmoid_prime(z) deltas.append(delta) deltas.reverse() for i in range(len(self.weights)): grad_w = np.dot(deltas[i], activations[i].T) grad_b = deltas[i] self.weights[i] -= self.learning_rate * grad_w self.biases[i] -= self.learning_rate * grad_b def train(self, x_train, y_train, epochs): for i in range(epochs): for x, y in zip(x_train, y_train): self.backward(x.reshape(-1, 1), y.reshape(-1, 1)) y_pred = self.forward(x_train.T) loss = np.mean((y_pred - y_train.T)**2) print(f"Epoch {i+1}: Loss={loss:.4f}") ``` 现在我们已经定义了BP神经网络类,接下来我们将使用该类来训练模型。 根据题目描述,我们需要设计一个包含3个输入节点、2个隐藏节点和2个输出节点的神经网络。因此,我们可以使用以下代码定义我们的神经网络: ```python input_size = 3 hidden_size = 2 output_size = 2 layer_sizes = [input_size, hidden_size, output_size] learning_rate = 0.1 bpnn = BPNeuralNetwork(layer_sizes, learning_rate) ``` 接下来,我们需要准备训练数据集。根据题目描述,我们需要训练神经网络将输入矩阵[1 0 0;0 1 0;0 0 1]映射到输出矩阵[1 0; 0 0.5; 0 1]。因此,我们可以使用以下代码来定义我们的训练数据集: ```python x_train = np.array([[1, 0, 0], [0, 1, 0], [0, 0, 1]]) y_train = np.array([[1, 0], [0, 0.5], [0, 1]]) ``` 最后,我们可以使用以下代码来训练我们的神经网络,并输出训练误差: ```python epochs = 1000 bpnn.train(x_train, y_train, epochs) ``` 这将输出每个epoch的训练误差。最终的训练误差将接近于0。

class BPNeuralNetwork:

BPNeuralNetwork 是一个基于反向传播算法的神经网络类,用于解决分类、回归等问题。下面是一个简单的实现示例: ``` python import numpy as np class BPNeuralNetwork: def __init__(self, sizes): self.num_layers = len(sizes) self.sizes = sizes self.biases = [np.random.randn(y, 1) for y in sizes[1:]] self.weights = [np.random.randn(y, x) for x, y in zip(sizes[:-1], sizes[1:])] def sigmoid(self, z): return 1.0 / (1.0 + np.exp(-z)) def sigmoid_prime(self, z): return self.sigmoid(z) * (1 - self.sigmoid(z)) def feedforward(self, a): for b, w in zip(self.biases, self.weights): a = self.sigmoid(np.dot(w, a) + b) return a def train(self, training_data, epochs, mini_batch_size, eta, test_data=None): if test_data: n_test = len(test_data) n = len(training_data) for j in range(epochs): np.random.shuffle(training_data) mini_batches = [training_data[k:k+mini_batch_size] for k in range(0, n, mini_batch_size)] for mini_batch in mini_batches: self.update_mini_batch(mini_batch, eta) if test_data: print("Epoch {0}: {1} / {2}".format(j, self.evaluate(test_data), n_test)) else: print("Epoch {0} complete".format(j)) def update_mini_batch(self, mini_batch, eta): nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases] nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights] for x, y in mini_batch: delta_nabla_b, delta_nabla_w = self.backprop(x, y) nabla_b = [nb+dnb for nb, dnb in zip(nabla_b, delta_nabla_b)] nabla_w = [nw+dnw for nw, dnw in zip(nabla_w, delta_nabla_w)] self.weights = [w-(eta/len(mini_batch))*nw for w, nw in zip(self.weights, nabla_w)] self.biases = [b-(eta/len(mini_batch))*nb for b, nb in zip(self.biases, nabla_b)] def backprop(self, x, y): nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases] nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights] activation = x activations = [x] zs = [] for b, w in zip(self.biases, self.weights): z = np.dot(w, activation) + b zs.append(z) activation = self.sigmoid(z) activations.append(activation) delta = self.cost_derivative(activations[-1], y) * self.sigmoid_prime(zs[-1]) nabla_b[-1] = delta nabla_w[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose()) for l in range(2, self.num_layers): z = zs[-l] sp = self.sigmoid_prime(z) delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp nabla_b[-l] = delta nabla_w[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose()) return (nabla_b, nabla_w) def cost_derivative(self, output_activations, y): return (output_activations-y) def evaluate(self, test_data): test_results = [(np.argmax(self.feedforward(x)), y) for (x, y) in test_data] return sum(int(x == y) for (x, y) in test_results) ``` 这里定义了一个 BPNeuralNetwork 类,包含了神经网络的初始化、前向传播、反向传播、训练、评估等方法。其中,sigmoid 函数和 sigmoid_prime 函数分别表示激活函数及其导数,feedforward 方法表示前向传播,train 方法表示训练,update_mini_batch 方法表示每次更新的小批量数据,backprop 方法表示反向传播,cost_derivative 方法表示误差函数的导数,evaluate 方法表示测试评估。
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