用theano库实现卷积神经网络的反向传播

时间: 2023-11-19 14:05:48 浏览: 33
首先,我们需要定义一个卷积层的类,其中包含正向传播和反向传播的函数。 ```python import numpy as np import theano import theano.tensor as T class ConvLayer(object): def __init__(self, rng, input_shape, filter_shape): self.input_shape = input_shape self.filter_shape = filter_shape fan_in = np.prod(filter_shape[1:]) fan_out = (filter_shape[0] * np.prod(filter_shape[2:])) W_bound = np.sqrt(6. / (fan_in + fan_out)) self.W = theano.shared( np.asarray( rng.uniform(low=-W_bound, high=W_bound, size=filter_shape), dtype=theano.config.floatX ), borrow=True ) self.b = theano.shared( np.zeros((filter_shape[0],), dtype=theano.config.floatX), borrow=True ) self.params = [self.W, self.b] def convolve(self, input): conv_out = T.nnet.conv2d( input=input, filters=self.W, filter_shape=self.filter_shape, input_shape=self.input_shape ) return T.nnet.sigmoid(conv_out + self.b.dimshuffle('x', 0, 'x', 'x')) def get_cost_updates(self, cost, learning_rate): grads = T.grad(cost, self.params) updates = [(param, param - learning_rate * grad) for param, grad in zip(self.params, grads)] return updates ``` 接下来,我们定义一个多层感知机的类,包含训练函数和预测函数。 ```python class MLP(object): def __init__(self, rng, input_shape, filter_shapes, hidden_sizes, output_size): self.x = T.tensor4('x') self.y = T.matrix('y') self.layers = [] self.params = [] layer_input = self.x input_shape = input_shape for i in range(len(filter_shapes)): filter_shape = filter_shapes[i] layer = ConvLayer(rng=rng, input_shape=input_shape, filter_shape=filter_shape) self.layers.append(layer) self.params += layer.params layer_output = layer.convolve(layer_input) layer_input = layer_output input_shape = (input_shape[0], filter_shape[0], input_shape[2] - filter_shape[2] + 1, input_shape[3] - filter_shape[3] + 1) flatten_layer_output = layer_output.flatten(2) hidden_layer_input = flatten_layer_output hidden_layer_size = input_shape[1] * input_shape[2] * input_shape[3] for hidden_size in hidden_sizes: W = theano.shared( np.asarray( rng.uniform(low=-np.sqrt(6. / (hidden_layer_size + hidden_size)), high=np.sqrt(6. / (hidden_layer_size + hidden_size)), size=(hidden_layer_size, hidden_size)), dtype=theano.config.floatX ), borrow=True ) b = theano.shared( np.zeros((hidden_size,), dtype=theano.config.floatX), borrow=True ) self.params += [W, b] hidden_layer_output = T.nnet.sigmoid(T.dot(hidden_layer_input, W) + b) hidden_layer_input = hidden_layer_output hidden_layer_size = hidden_size W = theano.shared( np.asarray( rng.uniform(low=-np.sqrt(6. / (hidden_layer_size + output_size)), high=np.sqrt(6. / (hidden_layer_size + output_size)), size=(hidden_layer_size, output_size)), dtype=theano.config.floatX ), borrow=True ) b = theano.shared( np.zeros((output_size,), dtype=theano.config.floatX), borrow=True ) self.params += [W, b] self.output = T.nnet.softmax(T.dot(hidden_layer_output, W) + b) self.prediction = T.argmax(self.output, axis=1) self.cost = -T.mean(T.log(self.output)[T.arange(self.y.shape[0]), self.y]) self.updates = self.layers[0].get_cost_updates(self.cost, learning_rate=0.1) for i in range(1, len(self.layers)): layer_updates = self.layers[i].get_cost_updates(self.cost, learning_rate=0.1) self.updates += layer_updates self.train = theano.function(inputs=[self.x, self.y], outputs=self.cost, updates=self.updates, allow_input_downcast=True) self.predict = theano.function(inputs=[self.x], outputs=self.prediction, allow_input_downcast=True) ``` 最后,我们可以使用以下代码来训练和测试模型。 ```python rng = np.random.RandomState(1234) train_x = np.random.rand(100, 1, 28, 28).astype(theano.config.floatX) train_y = np.random.randint(0, 10, size=(100,)).astype(np.int32) mlp = MLP(rng=rng, input_shape=(100, 1, 28, 28), filter_shapes=[(20, 1, 5, 5), (50, 20, 5, 5)], hidden_sizes=[500], output_size=10) for i in range(10): cost = mlp.train(train_x, train_y) print('Epoch %d, cost %f' % (i, cost)) test_x = np.random.rand(10, 1, 28, 28).astype(theano.config.floatX) test_y = np.random.randint(0, 10, size=(10,)).astype(np.int32) pred_y = mlp.predict(test_x) accuracy = np.mean(pred_y == test_y) print('Accuracy %f' % accuracy) ```

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