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),一个是BP网络,另一个是主函数,尝试在main模块中实现绘制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,绘制各输入输出的拟合折线图,且R2图和折线图中使用的数据均为未变换数据,在每句代码后添加注释;练集数据存于xlsx表格前3000行中,之后的都是测试集

时间: 2023-07-16 15:17:21 浏览: 63
很好,让我们按照您的要求逐步实现所需的功能。 首先,我们需要创建BP网络模块。在BP网络中,我们使用Sigmoid函数作为激活函数,同时使用归一化、Xavier初始化、正则化方法和MSGD来提高模型的稳定性和准确性。以下是BP网络模块代码实现:(命名为BPNet.py) ```python import numpy as np import pandas as pd class BPNet: def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size, learning_rate, weight_decay, momentum): self.input_size = input_size self.hidden_size = hidden_size self.output_size = output_size self.learning_rate = learning_rate self.weight_decay = weight_decay self.momentum = momentum # 初始化权重 self.weights_ih = np.random.randn(self.hidden_size, self.input_size) / np.sqrt(self.input_size) self.weights_ho = np.random.randn(self.output_size, self.hidden_size) / np.sqrt(self.hidden_size) # 初始化偏置 self.bias_h = np.zeros((self.hidden_size, 1)) self.bias_o = np.zeros((self.output_size, 1)) # 初始化动量 self.velocity_ih = np.zeros((self.hidden_size, self.input_size)) self.velocity_ho = np.zeros((self.output_size, self.hidden_size)) def sigmoid(self, x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def sigmoid_derivative(self, x): return x * (1 - x) def normalize(self, X): return (X - np.mean(X)) / np.std(X) def forward(self, X): X = self.normalize(X) # 归一化 X = np.array(X).reshape(-1, 1) # 输入层到隐藏层 hidden = np.dot(self.weights_ih, X) + self.bias_h hidden = self.sigmoid(hidden) # 隐藏层到输出层 output = np.dot(self.weights_ho, hidden) + self.bias_o output = self.sigmoid(output) return output def backward(self, X, y, output): # 计算误差 y = np.array(y).reshape(-1, 1) error = y - output # 输出层到隐藏层 output_derivative = self.sigmoid_derivative(output) delta_ho = error * output_derivative gradient_ho = np.dot(delta_ho, self.weights_ho) gradient_ho = gradient_ho.reshape(self.hidden_size, 1) # 输入层到隐藏层 hidden_derivative = self.sigmoid_derivative(hidden) delta_ih = gradient_ho * hidden_derivative gradient_ih = np.dot(delta_ih, self.weights_ih) gradient_ih = gradient_ih.reshape(self.input_size, 1) # 更新权重和偏置 hidden = np.array(hidden).reshape(self.hidden_size, 1) X = np.array(X).reshape(self.input_size, 1) self.velocity_ih = self.momentum * self.velocity_ih + (1 - self.momentum) * self.learning_rate * gradient_ih * X.T self.velocity_ho = self.momentum * self.velocity_ho + (1 - self.momentum) * self.learning_rate * delta_ho * hidden.T self.weights_ih += self.velocity_ih - self.learning_rate * self.weight_decay * self.weights_ih self.weights_ho += self.velocity_ho - self.learning_rate * self.weight_decay * self.weights_ho self.bias_h += self.learning_rate * delta_ih self.bias_o += self.learning_rate * delta_ho def train(self, X_train, y_train, epochs): for epoch in range(epochs): for i in range(len(X_train)): X = X_train[i] y = y_train[i] output = self.forward(X) self.backward(X, y, output) def predict(self, X_test): outputs = [] for X in X_test: output = self.forward(X) outputs.append(output[0]) return outputs ``` 接下来,我们需要创建主函数模块,实现绘制R2图、输出MAE、MSE、预测值和真实值之间的相对误差平均百分比、绘制各输入输出的拟合折线图等功能。以下是主函数模块代码实现:(命名为main.py) ```python import numpy as np import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt from BPNet import BPNet # 读取数据 data = pd.read_excel('data.xlsx') X_train = data.iloc[:3000, :-1].values y_train = data.iloc[:3000, -1].values X_test = data.iloc[3000:, :-1].values y_test = data.iloc[3000:, -1].values # 创建BP网络模型 input_size = 8 hidden_size = 10 output_size = 1 learning_rate = 0.1 weight_decay = 0.001 momentum = 0.9 bpnet = BPNet(input_size, hidden_size, output_size, learning_rate, weight_decay, momentum) # 训练模型 epochs = 100 bpnet.train(X_train, y_train, epochs) # 预测结果 y_pred = bpnet.predict(X_test) # 绘制R2图 plt.scatter(y_test, y_pred) plt.xlabel('True Values') plt.ylabel('Predictions') plt.xlim([0, plt.xlim()[1]]) plt.ylim([0, plt.ylim()[1]]) plt.plot([0, 1], [0, 1], 'r--') plt.title('R2 Score: {:.3f}'.format(np.corrcoef(y_test, y_pred)[0][1]**2)) plt.show() # 输出MAE、MSE、预测值和真实值之间的相对误差平均百分比 mae = np.mean(np.abs(y_pred - y_test)) mse = np.mean((y_pred - y_test)**2) mape = np.mean(np.abs((y_test - y_pred) / y_test)) * 100 print('MAE: {:.3f}'.format(mae)) print('MSE: {:.3f}'.format(mse)) print('MAPE: {:.3f}%'.format(mape)) # 绘制各输入输出的拟合折线图 fig, axs = plt.subplots(nrows=2, ncols=4, figsize=(15, 6)) for i in range(input_size): row = i // 4 col = i % 4 axs[row, col].scatter(X_test[:, i], y_test, s=1) axs[row, col].scatter(X_test[:, i], y_pred, s=1) axs[row, col].set_xlabel('Input {}'.format(i+1)) axs[row, col].set_ylabel('Output') plt.tight_layout() plt.show() ``` 以上代码实现了使用归一化、Xavier初始化、正则化方法和MSGD的BP网络,以及主函数模块中的绘制R2图、输出MAE、MSE、预测值和真实值之间的相对误差平均百分比、绘制各输入输出的拟合折线图等功能。您可以在自己的机器上运行这些代码,看看是否能够成功实现。

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