def softmax(x): if x.ndim == 2: x = x.T x = x - np.max(x, axis=0) y = np.exp(x) / np.sum(np.exp(x), axis=0) return y.T x = x - np.max(x) # 溢出对策 return np.exp(x) / np.sum(np.exp(x))

这是 softmax 函数，它是一种常用的多分类激活函数，将任意实数向量映射为概率分布向量。softmax 函数的定义是将向量中每个元素取指数，然后归一化，使得所有元素之和为 1。在神经网络中，softmax 函数常被用于输出层的激活函数，用于多分类问题的预测。softmax 函数的输出值可以看作是每个类别的预测概率，可用于计算交叉熵损失函数，进行反向传播算法的求解。为了避免指数计算时出现数值溢出问题，通常会对输入值进行标准化处理，即将每个元素减去向量中的最大值。

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# coding: utf-8 import numpy as np def identity_function(x): return x def step_function(x): return np.array(x > 0, dtype=np.int) def sigmoid(x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def sigmoid_grad(x): return (1.0 - sigmoid(x)) * sigmoid(x) def relu(x): return np.maximum(0, x) def relu_grad(x): grad = np.zeros(x) grad[x>=0] = 1 return grad def softmax(x): if x.ndim == 2: x = x.T x = x - np.max(x, axis=0) y = np.exp(x) / np.sum(np.exp(x), axis=0) return y.T x = x - np.max(x) # 溢出对策 return np.exp(x) / np.sum(np.exp(x)) def mean_squared_error(y, t): return 0.5 * np.sum((y-t)**2) def cross_entropy_error(y, t): if y.ndim == 1: t = t.reshape(1, t.size) y = y.reshape(1, y.size) # 监督数据是one-hot-vector的情况下，转换为正确解标签的索引 if t.size == y.size: t = t.argmax(axis=1) batch_size = y.shape[0] return -np.sum(np.log(y[np.arange(batch_size), t] + 1e-7)) / batch_size def softmax_loss(X, t): y = softmax(X) return cross_entropy_error(y, t)

这是一个包含各种常用神经网络函数的 Python 代码。其中 identity_function 表示恒等函数，step_function 表示阶跃函数，sigmoid 和 sigmoid_grad 表示 sigmoid 函数及其导数，relu 和 relu_grad 表示 ReLU 函数及其导数，softmax 表示 softmax 函数，mean_squared_error 和 cross_entropy_error 表示均方误差损失函数和交叉熵损失函数，softmax_loss 表示将 softmax 函数和交叉熵损失函数合并成一个层。

这些函数在神经网络的训练和测试中都有重要作用。例如，sigmoid 函数常被用于神经网络中的神经元激活函数，用于二分类任务的预测；ReLU 函数则常被用于卷积神经网络中的卷积层激活函数，用于提取图像特征；softmax 函数则常被用于神经网络中的输出层激活函数，用于多分类任务的预测。损失函数则常被用于评估神经网络的性能，用于反向传播算法的求解。

class SoftmaxWithLoss: def __init__(self): self.loss = None self.y = None # softmax的输出 self.t = None # 监督数据 def forward(self, x, t): self.t = t self.y = softmax(x) self.loss = cross_entropy_error(self.y, self.t) return self.loss def backward(self, dout=1): batch_size = self.t.shape[0] if self.t.size == self.y.size: # 监督数据是one-hot-vector的情况 dx = (self.y - self.t) / batch_size else: dx = self.y.copy() dx[np.arange(batch_size), self.t] -= 1 dx = dx / batch_size return dx

这是一个Softmax层和交叉熵误差损失函数的类实现。在类的初始化函数中，初始化该层的损失值loss，以及该层的输入x经过Softmax函数处理后的输出y和监督数据t。在前向传播函数中，将输入x经过Softmax函数处理得到输出y，然后计算该层的损失值loss。在反向传播函数中，首先根据监督数据t是否为one-hot-vector来计算该层的输入梯度dx，然后将其除以batch_size得到平均梯度。最终返回该层的输入梯度dx。