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。

时间: 2023-11-22 16:57:00 浏览: 26
以下是BP网络模块的代码,保存为bp_network.py: ```python import numpy as np import pandas as pd class BPNetwork: def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size): self.input_size = input_size self.hidden_size = hidden_size self.output_size = output_size self.W1 = np.random.randn(self.input_size, self.hidden_size) / np.sqrt(self.input_size) self.b1 = np.zeros((1, self.hidden_size)) self.W2 = np.random.randn(self.hidden_size, self.output_size) / np.sqrt(self.hidden_size) self.b2 = np.zeros((1, self.output_size)) def sigmoid(self, x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def sigmoid_derivative(self, x): return x * (1 - x) def forward(self, X): self.z1 = np.dot(X, self.W1) + self.b1 self.a1 = self.sigmoid(self.z1) self.z2 = np.dot(self.a1, self.W2) + self.b2 y = self.z2 return y def backward(self, X, y, y_pred, learning_rate): delta3 = y_pred - y dW2 = np.dot(self.a1.T, delta3) db2 = np.sum(delta3, axis=0, keepdims=True) delta2 = np.dot(delta3, self.W2.T) * self.sigmoid_derivative(self.a1) dW1 = np.dot(X.T, delta2) db1 = np.sum(delta2, axis=0) self.W1 -= learning_rate * dW1 self.b1 -= learning_rate * db1 self.W2 -= learning_rate * dW2 self.b2 -= learning_rate * db2 def train(self, X, y, learning_rate=0.1, epochs=1000): for i in range(epochs): y_pred = self.forward(X) self.backward(X, y, y_pred, learning_rate) def predict(self, X): y_pred = self.forward(X) return y_pred def save_weights(self, filename): np.savez(filename, W1=self.W1, b1=self.b1, W2=self.W2, b2=self.b2) def load_weights(self, filename): weights = np.load(filename) self.W1 = weights['W1'] self.b1 = weights['b1'] self.W2 = weights['W2'] self.b2 = weights['b2'] ``` 以下是主函数模块的代码,保存为main.py: ```python import numpy as np import pandas as pd from bp_network import BPNetwork from sklearn.preprocessing import StandardScaler from sklearn.metrics import r2_score, mean_absolute_error, mean_squared_error # 读取训练集和测试集数据 train_df = pd.read_excel('data.xlsx', nrows=3000) test_df = pd.read_excel('data.xlsx', skiprows=range(1, 3001)) # 分离输入和输出 X_train = train_df.iloc[:, :-1].values.astype(float) y_train = train_df.iloc[:, -1].values.astype(float) X_test = test_df.iloc[:, :-1].values.astype(float) y_test = test_df.iloc[:, -1].values.astype(float) # 数据标准化 scaler = StandardScaler() X_train = scaler.fit_transform(X_train) X_test = scaler.transform(X_test) # 创建BP网络模型 input_size = X_train.shape[1] hidden_size = 8 output_size = 1 bpnn = BPNetwork(input_size, hidden_size, output_size) # 训练模型 bpnn.train(X_train, y_train, learning_rate=0.1, epochs=1000) # 保存模型权重 bpnn.save_weights('model.npz') # 加载模型权重 bpnn.load_weights('model.npz') # 预测测试集结果 y_pred = bpnn.predict(X_test) # 反标准化处理 y_test = scaler.inverse_transform(y_test) y_pred = scaler.inverse_transform(y_pred) # 计算R2、MAE、MSE和相对误差平均百分比 r2 = r2_score(y_test, y_pred) mae = mean_absolute_error(y_test, y_pred) mse = mean_squared_error(y_test, y_pred) error = np.mean(np.abs((y_test - y_pred) / y_test)) * 100 print(f'R2 score: {r2:.3f}') print(f'MAE: {mae:.3f}') print(f'MSE: {mse:.3f}') print(f'Relative error: {error:.3f}%') # 绘制测试集的拟合图 import matplotlib.pyplot as plt plt.plot(y_test, label='true') plt.plot(y_pred, label='pred') plt.legend() plt.show() # 输出各输入的权重 for i, w in enumerate(bpnn.W1.T): print(f'Weight for feature {i+1}: {w}') ``` 在运行main.py时,会输出R2、MAE、MSE和相对误差平均百分比等信息,并绘制测试集的拟合图。同时,还会输出各输入的权重。最后,模型的权重会保存到model.npz文件中。

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