BP算法应用于两个数据集得出结果分析 python实现

时间: 2023-11-10 22:02:33 浏览: 100
BP算法是一种常用的神经网络训练算法,用于解决分类、回归等问题。下面以应用BP算法解决分类问题为例,对两个数据集进行实验分析,并使用Python实现。 数据集1:鸢尾花数据集 鸢尾花数据集是一个经典的分类问题数据集,包含3类鸢尾花,每类鸢尾花有50个样本,共计150个样本。每个样本包含4个特征,分别为花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度。该数据集经过归一化处理后,可以直接用于BP神经网络的训练。下面是Python代码实现: ``` import numpy as np from sklearn.datasets import load_iris from sklearn.preprocessing import normalize # 加载鸢尾花数据集 iris = load_iris() X = iris.data y = iris.target # 数据预处理 X = normalize(X, axis=0) # 将标签转换为独热编码 n_classes = 3 y_one_hot = np.zeros((len(y), n_classes)) for i, label in enumerate(y): y_one_hot[i, label] = 1 # 构建神经网络 input_size = X.shape[1] hidden_size = 10 output_size = n_classes W1 = np.random.randn(input_size, hidden_size) b1 = np.zeros(hidden_size) W2 = np.random.randn(hidden_size, output_size) b2 = np.zeros(output_size) # 定义激活函数和损失函数 def sigmoid(x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def softmax(x): exp_x = np.exp(x) return exp_x / np.sum(exp_x, axis=1, keepdims=True) def cross_entropy_loss(y_pred, y_true): return -np.mean(y_true * np.log(y_pred)) # 定义训练函数 def train(X, y, W1, b1, W2, b2, lr, epochs): for epoch in range(epochs): # 前向传播 a1 = np.dot(X, W1) + b1 z1 = sigmoid(a1) a2 = np.dot(z1, W2) + b2 y_pred = softmax(a2) # 计算损失 loss = cross_entropy_loss(y_pred, y_one_hot) # 反向传播 delta2 = y_pred - y_one_hot delta1 = np.dot(delta2, W2.T) * z1 * (1 - z1) # 更新参数 W2 -= lr * np.dot(z1.T, delta2) b2 -= lr * np.sum(delta2, axis=0) W1 -= lr * np.dot(X.T, delta1) b1 -= lr * np.sum(delta1, axis=0) # 打印损失 if epoch % 100 == 0: print("Epoch %d Loss %.4f" % (epoch, loss)) return W1, b1, W2, b2 # 训练神经网络 W1, b1, W2, b2 = train(X, y_one_hot, W1, b1, W2, b2, lr=0.1, epochs=1000) # 预测 a1 = np.dot(X, W1) + b1 z1 = sigmoid(a1) a2 = np.dot(z1, W2) + b2 y_pred = np.argmax(a2, axis=1) acc = np.mean(y_pred == y) print("Accuracy %.4f" % acc) ``` 数据集2:手写数字识别数据集 手写数字识别数据集包含10个类别,每个类别有大约180个样本,共计约1800个样本。每个样本是28*28的灰度图像,需要将其展平为784维向量进行训练。下面是Python代码实现: ``` import numpy as np from sklearn.datasets import load_digits from sklearn.preprocessing import normalize from sklearn.model_selection import train_test_split # 加载手写数字识别数据集 digits = load_digits() X = digits.images.reshape(-1, 784) y = digits.target # 数据预处理 X = normalize(X, axis=0) # 将标签转换为独热编码 n_classes = 10 y_one_hot = np.zeros((len(y), n_classes)) for i, label in enumerate(y): y_one_hot[i, label] = 1 # 划分训练集和测试集 X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y_one_hot, test_size=0.2, random_state=42) # 构建神经网络 input_size = X.shape[1] hidden_size = 50 output_size = n_classes W1 = np.random.randn(input_size, hidden_size) b1 = np.zeros(hidden_size) W2 = np.random.randn(hidden_size, output_size) b2 = np.zeros(output_size) # 定义激活函数和损失函数 def sigmoid(x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def softmax(x): exp_x = np.exp(x) return exp_x / np.sum(exp_x, axis=1, keepdims=True) def cross_entropy_loss(y_pred, y_true): return -np.mean(y_true * np.log(y_pred)) # 定义训练函数 def train(X, y, W1, b1, W2, b2, lr, epochs): for epoch in range(epochs): # 前向传播 a1 = np.dot(X, W1) + b1 z1 = sigmoid(a1) a2 = np.dot(z1, W2) + b2 y_pred = softmax(a2) # 计算损失 loss = cross_entropy_loss(y_pred, y) # 反向传播 delta2 = y_pred - y delta1 = np.dot(delta2, W2.T) * z1 * (1 - z1) # 更新参数 W2 -= lr * np.dot(z1.T, delta2) b2 -= lr * np.sum(delta2, axis=0) W1 -= lr * np.dot(X.T, delta1) b1 -= lr * np.sum(delta1, axis=0) # 打印损失 if epoch % 100 == 0: print("Epoch %d Loss %.4f" % (epoch, loss)) return W1, b1, W2, b2 # 训练神经网络 W1, b1, W2, b2 = train(X_train, y_train, W1, b1, W2, b2, lr=0.1, epochs=1000) # 预测 a1 = np.dot(X_test, W1) + b1 z1 = sigmoid(a1) a2 = np.dot(z1, W2) + b2 y_pred = np.argmax(a2, axis=1) acc = np.mean(y_pred == np.argmax(y_test, axis=1)) print("Accuracy %.4f" % acc) ``` 以上就是两个数据集应用BP算法的实验分析和Python实现,希望对你有所帮助。
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