bp神经网络python

时间: 2023-08-26 15:07:09 浏览: 47
使用Python实现BP神经网络可以分为以下几个步骤: 1. 导入必要的库和模块: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt ``` 2. 定义一个BP神经网络类: ```python class BPNeuralNetwork: 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.weights1 = np.random.randn(self.input_size, self.hidden_size) self.weights2 = np.random.randn(self.hidden_size, self.output_size) self.bias1 = np.zeros((1, self.hidden_size)) self.bias2 = np.zeros((1, self.output_size)) ``` 其中,input_size、hidden_size和output_size分别表示输入层、隐藏层和输出层的神经元个数,weights1和weights2分别表示输入层到隐藏层和隐藏层到输出层的权重,bias1和bias2分别表示隐藏层和输出层的偏置。 3. 定义一个sigmoid函数和其导数: ```python def sigmoid(x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def sigmoid_derivative(x): return x * (1 - x) ``` sigmoid函数是BP神经网络中常用的激活函数,sigmoid_derivative函数是其导数。 4. 定义前向传播函数: ```python def forward(self, X): self.z2 = np.dot(X, self.weights1) + self.bias1 self.a2 = sigmoid(self.z2) self.z3 = np.dot(self.a2, self.weights2) + self.bias2 y_hat = sigmoid(self.z3) return y_hat ``` 其中,X表示输入数据,z2、a2和z3分别表示隐藏层的加权输入、隐藏层的输出和输出层的加权输入,y_hat表示输出层的输出。 5. 定义反向传播函数: ```python def backward(self, X, y, y_hat, learning_rate): delta3 = (y_hat - y) * sigmoid_derivative(y_hat) d_weights2 = np.dot(self.a2.T, delta3) d_bias2 = np.sum(delta3, axis=0, keepdims=True) delta2 = np.dot(delta3, self.weights2.T) * sigmoid_derivative(self.a2) d_weights1 = np.dot(X.T, delta2) d_bias1 = np.sum(delta2, axis=0) self.weights1 -= learning_rate * d_weights1 self.bias1 -= learning_rate * d_bias1 self.weights2 -= learning_rate * d_weights2 self.bias2 -= learning_rate * d_bias2 ``` 其中,X、y和y_hat分别表示输入数据、实际输出和预测输出,learning_rate表示学习率,delta3表示输出层的误差,d_weights2和d_bias2分别表示隐藏层到输出层权重和偏置的梯度,delta2表示隐藏层的误差,d_weights1和d_bias1分别表示输入层到隐藏层权重和偏置的梯度。 6. 训练模型: ```python def train(self, X, y, epochs, learning_rate): losses = [] for i in range(epochs): y_hat = self.forward(X) loss = np.mean(0.5 * (y - y_hat) ** 2) losses.append(loss) self.backward(X, y, y_hat, learning_rate) if i % 1000 == 0: print('Epoch:', i, 'Loss:', loss) return losses ``` 其中,X、y分别表示输入数据和实际输出,epochs表示训练轮数,learning_rate表示学习率,losses表示每轮训练的损失值。 7. 使用模型进行预测: ```python def predict(self, X): y_hat = self.forward(X) return np.round(y_hat) ``` 其中,X表示输入数据,y_hat表示预测输出。 完整代码如下: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def sigmoid(x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def sigmoid_derivative(x): return x * (1 - x) class BPNeuralNetwork: 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.weights1 = np.random.randn(self.input_size, self.hidden_size) self.weights2 = np.random.randn(self.hidden_size, self.output_size) self.bias1 = np.zeros((1, self.hidden_size)) self.bias2 = np.zeros((1, self.output_size)) def forward(self, X): self.z2 = np.dot(X, self.weights1) + self.bias1 self.a2 = sigmoid(self.z2) self.z3 = np.dot(self.a2, self.weights2) + self.bias2 y_hat = sigmoid(self.z3) return y_hat def backward(self, X, y, y_hat, learning_rate): delta3 = (y_hat - y) * sigmoid_derivative(y_hat) d_weights2 = np.dot(self.a2.T, delta3) d_bias2 = np.sum(delta3, axis=0, keepdims=True) delta2 = np.dot(delta3, self.weights2.T) * sigmoid_derivative(self.a2) d_weights1 = np.dot(X.T, delta2) d_bias1 = np.sum(delta2, axis=0) self.weights1 -= learning_rate * d_weights1 self.bias1 -= learning_rate * d_bias1 self.weights2 -= learning_rate * d_weights2 self.bias2 -= learning_rate * d_bias2 def train(self, X, y, epochs, learning_rate): losses = [] for i in range(epochs): y_hat = self.forward(X) loss = np.mean(0.5 * (y - y_hat) ** 2) losses.append(loss) self.backward(X, y, y_hat, learning_rate) if i % 1000 == 0: print('Epoch:', i, 'Loss:', loss) return losses def predict(self, X): y_hat = self.forward(X) return np.round(y_hat) if __name__ == '__main__': X = np.array([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]]) y = np.array([[0], [1], [1], [0]]) nn = BPNeuralNetwork(2, 3, 1) losses = nn.train(X, y, epochs=10000, learning_rate=0.1) plt.plot(losses) plt.show() print('Predictions:', nn.predict(X)) ``` 在上述代码中,我们使用BP神经网络来解决异或逻辑运算问题,其中X表示输入数据,y表示实际输出。在训练模型时,我们设置了10000次迭代,学习率为0.1。在预测时,我们打印了模型的预测输出。运行代码后,可以看到模型的损失值在逐渐下降,最终输出的预测结果也符合异或逻辑运算的规律。

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