【吴恩达课后编程作业】第三周作业 （附答案、代码）隐藏层神经网络 神经网络、深度学习、机器学习

【吴恩达课后编程作业】第三周作业 （附答案、代码）隐藏层神经网络 神经网络和深度学习

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首先说明一下，大学生一枚，最近在学习神经网络，写这篇文章只是记录自己的学习历程，起总结复习的作用，别无它意，本文参考了​​zsffuture的博客​​、​​布衣先生real的博客​​、​​孔小爽的博客​​、​​何宽的博客​​以及​​Github上fengdu78老师的文章​​进行学习

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✌ 我们要实现一个能够分类样本点的神经网络

• numpy：常用数学工具库
• matplotlib：python的画图工具
• LogisticRegression：逻辑回归模型
• lightgbm：lgb模型
• cross_val_score:交叉验证

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from testCases import *
import sklearn.datasets
from planar_utils import plot_decision_boundary, sigmoid, load_planar_dataset, load_extra_datasets
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
import lightgbm as lgb
from sklearn.model_selection import cross_val_score

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✌ 加载训练测试数据集

• X：特征矩阵
• Y：标签

X, Y = load_planar_dataset()

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✌ 打印数据集的详细数据

print('样本数量：',X.shape[1])
print('特征数量：',X.shape[0])
print('X的维度：',X.shape)
print('Y的维度：',Y.shape)

查看输出结果：

样本数量： 400
特征数量： 2
X的维度： (2, 400)
Y的维度： (1, 400)

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✌ 神经网络介绍

现在我们的准备工作已经做好了，接下来就是搭建神经网络
$z=w.T*X+b$
$y=a=sigmoid(z)$
单一样本的损失：
$L（y，a）=-(y*log(a)+(1-y)*log(1-a))$
计算所有样本的平均损失值：
$J=1/m\sum_{i=0}^mL（y，a）$
搭建神经网络的主要步骤是：

1. 定义模型结构（例如输入特征的数量）
2. 初始化模型的参数
3. 不断迭代（调整参数）：
   3.1 计算当前损失（正向传播）
   3.2 计算当前梯度（反向传播）
   3.3 更新参数（梯度下降）

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✌ 定义sigmoid函数

$a=sigmoid(z)$

$sigmoid=1/(1+e^-x)$

因为我们要做的是二分类问题，所以到最后要将其转化为概率，所以可以利用sigmoid函数的性质将其转化为0~1之间

def sigmoid(z):
    """
    功能：激活函数，计算sigmoid的值
    
    参数：
        z：任何维度的矩阵
        
    返回：
        s：sigmoid（z）
    """
    s=1/(1+np.exp(-z))
    
    return s

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✌ 定义各网络层的节点数

这里我们为什么要获取各个层的节点数呢？
原因是在初始化w、b等参数时需要确定其维度，以便于后面的传播计算

def layer_size(X,Y):
    """
    功能：获得各个网络层的节点数

    参数：
        X：特征矩阵
        Y：标签
        
    返回：
        in_layer：输出层的节点数
        hidden_layer：隐藏层的节点数
        out_layer：输出层的节点数
    """
    # 本数据集为两个特征
    in_layer=X.shape[0]
    # 自己定义隐藏层为4个节点
    hidden_layer=4
    # 输出层为1维
    out_layer=Y.shape[0]
    
    return in_layer,hidden_layer,out_layer

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✌ 定义初始化w、b的函数

在进行梯度下降之前，要初始化w和b的值，但是这里会有个问题，为了方便我们会把w、b的值全部初始化为0，这样做是不正确的，原因是：如果都为0，会导致在传播计算时，模型对称，各个节点的参数不起作用，可以自己推到一下
所以我们要给w、b进行随机取值
本文参数维度：

• W1：（4，2）
• b1：（4，1）
• W2：（1，4）
• b2：（1，1）

def init_w_b(in_layer,hidden_layer,out_layer):
    """
    功能：初始化w，b的维度和值
    
    参数：
        in_layer：输出层的节点数
        hidden_layer：隐藏层的节点数
        out_layer：输出层的节点数
        
    返回：
        init_params：对应各层参数的字典
    """
    # 定义随机种子，以便之后每次产生随机数唯一
    np.random.seed(2021)
    # 初始化参数，符合高斯分布
    W1=np.random.randn(hidden_layer,in_layer)*0.01
    b1=np.random.randn(hidden_layer,1)
    W2=np.random.randn(out_layer,hidden_layer)*0.01
    b2=np.random.randn(out_layer,1)
    
    init_params={'W1':W1,
                 'b1':b1,
                 'W2':W2,
                 'b2':b2}
    
    return init_params

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✌ 定义向前传播函数

神经网络分为正向传播和反向传播
正向传播计算求出损失函数，然后反向计算各个梯度
然后进行梯度下降，更新参数
计算公式：
$Z1=W1*X+b1$
$A1=tanh(Z1)$
$Z2=W2*A1+b2$
$A2=sigmoid(Z2)$

def forward(W1,b1,W2,b2,X,Y):
    """
    功能：向前传播，计算出各个层的激活值和未激活值（A1，A2，Z1，Z2）
    
    参数：
        W1：隐藏层的权值参数
        b1：隐藏层的偏置参数
        W2：输出层的权值参数
        b2：输出层的偏置参数
        X：特征矩阵
        Y：标签
        
    返回：
        forward_params：对应各层数据的字典
    """
    # 计算隐藏层
    Z1=np.dot(W1,X)+b1
    # 激活
    A1=np.tanh(Z1)
    # 计算第二层
    Z2=np.dot(W2,A1)+b2
    # 激活
    A2=sigmoid(Z2)
    
    forward_params={'Z1':Z1,
                    'A1':A1,
                    'Z2':Z2,
                    'A2':A2,
                    'W1':W1,
                    'b1':b1,
                    'W2':W2,
                    'b2':b2}
    
    return forward_params

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✌ 定义损失函数

损失函数为交叉熵，数值越小，表明模型越优秀
计算公式：
$J(W1,b1,W2,b2)=1/m\sum_{i=0}^m-(y*log(A2)+(1-y)*log(1-A2))$

def loss_fn(W1,b1,W2,b2,X,Y):
    """
    功能：构造损失函数，计算损失值
    
    参数：
        W1：隐藏层的权值参数
        b1：隐藏层的偏置参数
        W2：输出层的权值参数
        b2：输出层的偏置参数
        X：特征矩阵
        Y：标签
        
    返回：
        loss：模型损失值
    """
    # 样本数
    m=X.shape[1]
    # 向前传播，获取激活值A2
    forward_params=forward(W1,b1,W2,b2,X,Y)
    
    A2=forward_params['A2']
    # 计算损失值
    loss=np.multiply(Y,np.log(A2))+np.multiply(1-Y,np.log(1-A2))
    loss=-1/m*np.sum(loss)
    # 降维，如果不写，可能会有错误
    loss=np.squeeze(loss)
    
    return loss

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✌ 定义向后传播函数

反向计算各个梯度
然后进行梯度下降，更新参数
计算公式：
$dZ2=A2-Y$
$dW2=1/m*dZ2*A1.T$
$db2=1/m*\sum_{i=0}^mdZ2$
第一层的参数同理，这里要记住计算各参数梯度，就是高数中的链式法则，这也就是为什么叫做向后传播，想要计算前一层的参数导数值就要先计算出后一层的梯度值
$y=2*x$
$z=3*y$
$∂z/∂x=(∂z/∂y )*(dy/dx)$
记住这个一切都OK！！！

def backward(W1,b1,W2,b2,X,Y):
    """
    功能：向后传播，计算各个层参数的梯度（偏导）
    
    参数：
        W1：隐藏层的权值参数
        b1：隐藏层的偏置参数
        W2：输出层的权值参数
        b2：输出层的偏置参数
        X：特征矩阵
        Y：标签
        
    返回：
        grads：各参数的梯度值
    """
    # 样本数
    m=X.shape[1]
    # 进行前向传播，获取各参数值
    forward_params=forward(W1,b1,W2,b2,X,Y)
    
    A1=forward_params['A1']
    A2=forward_params['A2']
    W1=forward_params['W1']
    W2=forward_params['W2']
    # 计算梯度
    dZ2= A2 - Y
    dW2 = (1 / m) * np.dot(dZ2, A1.T)
    db2 = (1 / m) * np.sum(dZ2, axis=1, keepdims=True)
    dZ1 = np.multiply(np.dot(W2.T, dZ2), 1 - np.power(A1, 2))
    dW1 = (1 / m) * np.dot(dZ1, X.T)
    db1 = (1 / m) * np.sum(dZ1, axis=1, keepdims=True)
    
    grads = {"dW1": dW1,
             "db1": db1,
             "dW2": dW2,
             "db2": db2 }
    
    return grads

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✌ 定义整个传播过程

一个传播流程包括：

1. 向前传播
2. 计算损失函数
3. 向后传播
   3.1 计算梯度
   3.2 更新参数

def propagate(W1,b1,W2,b2,X,Y):
    """
    功能：传播运算，向前->损失->向后->
    
    参数：
        W1：隐藏层的权值参数
        b1：隐藏层的偏置参数
        W2：输出层的权值参数
        b2：输出层的偏置参数
        X：特征矩阵
        Y：标签
        
    返回：
        grads，loss：各参数的梯度，损失值
    """
    # 计算损失
    loss=loss_fn(W1,b1,W2,b2,X,Y)
    # 向后传播，计算梯度
    grads=backward(W1,b1,W2,b2,X,Y)
    
    return grads,loss

✌ 定义优化器函数

目标是通过最小化损失函数 J来学习 w 和 b 。对于参数 λ，更新规则是 $W1=W1-λ*dJ/dW1$ $b1=b1-λ*dJ/db1$$W2=W2-λ*dJ/dW2$$b2=b2-λ*dJ/db2$，其中 λ 是学习率。
num_iter代表梯度下降时的迭代次数，就是w的改变次数，求取损失函数的最小值，即全局最优解，这里可能会产生局部最优解，会影响模型结果，这里不与阐述，可以选择其他较好的优化器
大多数优化器都是基于梯度下降这种方法，只不过具体的数学计算有些不同

def optimizer(W1,b1,W2,b2,X,Y,num_iter,lr,print_loss=False):
    """
    功能：优化函数，进行梯度下降，不断更新权重值，求取最优解
         
    参数：
        W1：隐藏层的权值参数
        b1：隐藏层的偏置参数
        W2：输出层的权值参数
        b2：输出层的偏置参数
        X：特征矩阵
        Y：标签
        num_iter：梯度下降时的迭代次数
        lr：学习率  w=w-lr*dw
        print_loss：是否每100次迭代打印一次缺失值
        
    返回：
        params：训练好后的w和b值
        losses：各迭代次数下的损失值
    """
    # 存储不同迭代次数下的loss值
    losses=[]
    # 开始迭代
    for i in range(num_iter):
        # 获取损失和梯度值
        grads,loss=propagate(W1,b1,W2,b2,X,Y)
        
        dW1=grads['dW1']
        db1=grads['db1']
        dW2=grads['dW2']
        db2=grads['db2']
        # 参数更新
        W1=W1-lr*dW1
        b1=b1-lr*db1
        W2=W2-lr*dW2
        b2=b2-lr*db2
        
        if i%100==0:
            losses.append(loss)
            
        if print_loss and i%100==0:
            print('迭代次数：%d,误差值：%f'%(i+1,loss))
        
    params={'W1':W1,
            'b1':b1,
            'W2':W2,
            'b2':b2}
    
    return params,losses

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✌ 定义预测函数

上面optimizer函数会输出已经训练好的w、b参数，我们可以利用它们进行预测新的样本集
进行预测两个步骤：

1. $y=a=sigmoid(w.T*X+b)$
2. 利用概率将其转化为0-1类别
3. 将结果存储到y_pred中

def predict(W1,b1,W2,b2,X,Y):
    """
    功能：利用优化好的w和b值进行预测
         
    参数：
        W1：隐藏层的权值参数
        b1：隐藏层的偏置参数
        W2：输出层的权值参数
        b2：输出层的偏置参数
        X：特征矩阵
        Y：标签
        
    返回：
        y_pred：预测值（1,样本数）维
    """
    # 样本数
    m=X.shape[1]
    # 预测矩阵
    y_pred=np.zeros((1,m))
    # 一层激活
    A1=np.tanh(np.dot(W1,X)+b1)
    # 二层激活
    A2=sigmoid(np.dot(W2,A1)+b2)
    # 进行分类
    for i in range(m):
        y_pred[0,i]=1 if A2[0,i]>0.5 else 0
        
    return y_pred

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✌ 定义模型函数

我们已经将所需要的所有函数已经封装好了，现在需要一个训练函数调用它们，完成模型的训练，model的作用就是如此

def model(x_train,x_test,y_train,y_test,num_iter,lr,print_loss=False):
    """
    功能：利用前面封装好的函数进行训练
         
    参数：
        x_train：训练数据（特征数，样本数）
        x_test：初始化好的权重矩阵（特征数，样本数）
        y_train：初始化好的权重矩阵（1，样本数）
        y_test：初始化好的权重矩阵（1，样本数）
        num_iter：梯度下降的迭代次数
        lr：学习率
        print_loss：是否每100次打印loss值
        
    返回：
        d：预测结果以w，b等数据
    """
    # 获取各层的节点数
    in_layer,hidden_layer,out_layer=layer_size(x_train,y_train)
    # 初始化参数
    init_params=init_w_b(in_layer,hidden_layer,out_layer)
    
    W1=init_params['W1']
    b1=init_params['b1']
    W2=init_params['W2']
    b2=init_params['b2']
    # 梯度下降
    params,losses=optimizer(W1,b1,W2,b2,x_train,y_train,num_iter,lr,print_loss)
    
    W1=params['W1']
    b1=params['b1']
    W2=params['W2']
    b2=params['b2']
    # 预测训练集和测试集
    y_pred_train=predict(W1,b1,W2,b2,x_train,y_train)
    y_pred_test=predict(W1,b1,W2,b2,x_test,y_test)
    
    print('训练集的准确性：%.3f'%((y_pred_train==y_train).sum()/y_train.shape[1]*100),'%')
    print('测试集的准确性：%.3f'%((y_pred_test==y_test).sum()/y_test.shape[1]*100),'%')
    
    d = {
            "losses" : losses,
            "y_pred_train" : y_pred_train,
            "y_pred_test" : y_pred_test,
            "W1" : W1,
            "b1" : b1,
            "W2":W2,
            "b2":b2,
            "learning_rate" :lr,
            "num_iter" : num_iter }
    return d

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✌ 分割数据集

from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train,x_test,y_train,y_test=train_test_split(X.T,np.squeeze(Y),test_size=0.2,random_state=2021)
x_train=x_train.T
x_test=x_test.T
y_train=np.array([y_train])
y_test=np.array([y_test])

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✌ 进行测试

我们将我们处理好的训练测试集传入，测试下模型的效果，并每迭代100次打印下损失函数的值，观察模型效果是否得到了优化

print("====================测试model====================")     
d = model(x_train,x_test,y_train,y_test,3000,4.2,True)

查看输出结果：

====================测试model====================
迭代次数：1,误差值：0.915083
迭代次数：101,误差值：0.341307
迭代次数：201,误差值：0.314505
迭代次数：301,误差值：0.301869
迭代次数：401,误差值：0.293965
迭代次数：501,误差值：0.288318
迭代次数：601,误差值：0.283970
迭代次数：701,误差值：0.280468
迭代次数：801,误差值：0.277569
迭代次数：901,误差值：0.275129
迭代次数：1001,误差值：0.273056
迭代次数：1101,误差值：0.271282
迭代次数：1201,误差值：0.269751
迭代次数：1301,误差值：0.268418
迭代次数：1401,误差值：0.267231
迭代次数：1501,误差值：0.266127
迭代次数：1601,误差值：0.265013
迭代次数：1701,误差值：0.263849
迭代次数：1801,误差值：0.263058
迭代次数：1901,误差值：0.262612
迭代次数：2001,误差值：0.262124
迭代次数：2101,误差值：0.261580
迭代次数：2201,误差值：0.261060
迭代次数：2301,误差值：0.260638
迭代次数：2401,误差值：0.260392
迭代次数：2501,误差值：0.248556
迭代次数：2601,误差值：0.243686
迭代次数：2701,误差值：0.241531
迭代次数：2801,误差值：0.240559
迭代次数：2901,误差值：0.240050
训练集的准确性：90.000 %
测试集的准确性：91.250 %

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✌ 测试简易神经网络（逻辑回归模型）

我们想要对比下加入了隐藏层和不加隐藏层的效果，我们需要建立一个不带隐藏层的神经网络，不过为了方便（懒得搭了），我们直接调用sklearn中的LogisticRegression库，其实是一样的，参数采取默认参数，如果参数调整一下，模型效果可能会更好

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
clf=LogisticRegression()
score=cross_val_score(clf,X.T,np.squeeze(Y),cv=10)
for i,val in enumerate(score):
    print('第%d折：%.3f'%(i+1,val))
print('Logistic模型平均效果：%.3f'%score.mean())

查看输出结果：

第1折：0.675
第2折：0.975
第3折：0.550
第4折：0.075
第5折：0.200
第6折：0.325
第7折：0.000
第8折：0.550
第9折：0.875
第10折：0.650
Logistic模型平均效果：0.487

✌ 测试LGB模型

import lightgbm as lgb
from sklearn.model_selection import cross_val_score

clf = lgb.LGBMClassifier(
        boosting_type='gbdt', num_leaves=55, reg_alpha=0.0, reg_lambda=1,
        max_depth=15, n_estimators=6000, objective='binary',
        subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, subsample_freq=1,
        learning_rate=0.06, min_child_weight=1, random_state=20, n_jobs=4
    )
score=cross_val_score(clf,X.T,np.squeeze(Y),cv=10)
for i,val in enumerate(score):
    print('第%d折：%.3f'%(i+1,val))
print('LGB模型平均效果：%.3f'%score.mean())

查看输出结果：

第1折：0.425
第2折：0.850
第3折：0.825
第4折：0.900
第5折：0.925
第6折：0.975
第7折：0.875
第8折：0.700
第9折：0.775
第10折：0.525
LGB模型平均效果：0.778