Numpy 实现全连接神经网络

神经网络与深度学习实验报告

一、实验名称

Numpy 实现全连接神经网络

二、实验要求

用 python 的 numpy 模块实现全连接神经网络。网络结构为一个输入层、一个隐藏层、一个输出层。隐藏层的激活函数为 Relu 函数，输出层的激活函数为 softmax 函数，损失函数为交叉熵。

图1-网络结构示意图

三、实验目的

通过学习的前馈神经网络基本原理（网络结构，损失函数，参数学习），使用numpy实现神经网络，进一步加深对神经网络的理解。掌握神经网洛原理和方法。

四、实验过程

4.1前馈神经网络

4.1.1环境配置

所需的包有：numpy，tensorflow，keras

4.1.2准备数据

采用手写字体数据集mnist，训练数据集包含60000个样本，测试数据集包含10000个样本，每张图片由28x28个像素点构成，每个像素点用一个灰度值表示，在这里，将28x28得像素展开为一个一维向量，并对每个像素值进行标准化处理，标签为0-9。

4.1.3定义矩阵乘法类

矩阵乘法类包括向前传播计算隐藏层的输入矩阵X和反向传播计算权重矩阵W和输入矩阵X的梯度，由输出矩阵Y的梯度grad_y计算而来，得到loss关于X矩阵和W矩阵的梯度，grad_x和grad_w

4.1.3定义Relu类，Softmax类，交叉熵类

Relu类包括向前传播计算激活值，作为下一层的输入矩阵X，反向传播根据输出值Y的梯度grad_y计算损失函数梯度。Softmax类作为输出层的激活函数，交叉熵类作为损失函数的计算。

4.1.4定义模型

包括网络权重矩阵的初始化，模型向前传播和反向传播计算loss关于权重矩阵W的梯度

4.1.5计算训练集准确率，迭代，计算测试集loss和准确率函数

根据Softmax值计算准确率，根据交叉熵损失函数计算loss，根据梯度值更新权重矩阵。

4.1.5模型训练与评价

划分训练集和测试集，标签处理，设置迭代次数，记录准确率和loss值。

4.2更改神经网络拓扑结构、激活规则和学习算法

4.2.1改变激活函数（sigmoid激活函数）

原始代码中采用的是Relu函数，Relu优点： relu函数在大于0的部分梯度为常数，所以不会产生梯度消失现象.。而对于sigmod函数，在正负饱和区的梯度都接近于0，可能会导致梯度消失现象。Relu函数的导数计算更快，所以使用梯度下降时比Sigmod收敛起来要快很多。Relu缺点：Relu死亡问题。Sigmod优点：具有很好的解释性，将线性函数的组合输出为0，1之间的概率。Sigmodu缺点：激活函数计算量大，反向传播求梯度时，求导涉及除法。反向传播时，在饱和区两边导数容易为0，即容易出现梯度消失的情况，从而无法完成深层网络的训练。自定义Sigmoid函数类，将激活函数更改，代码如下：

4.2.2改变学习算法（小批量梯度下降）

原始代码中采用的是批量梯度下降算法，每次需要计算所有样本的交叉熵损失函数，当样本数过大时，计算量大，随机梯度下降法的缺点是无法利用计算机的并行计算能力。小批量梯度下降算法(Mini-Batch Gradient Descent)是批量梯度下降和随机梯度下降的折中。每次迭代时，选取小部分样本来计算梯度并更新参数。这样既可以兼顾随机梯度下降法的有点，也可以提高训练效率。在实际应用中，小批量梯度下降算法有收敛快、计算开销小的优点。具体代码如下：

4.2.3改变网络结构（增加层数和神经元个数）

为了使模型精度更高，增加了网络层数，由一层隐藏层变为两层隐藏层，神经元个数为100，具体代码如下：

五、实验结果

六、实验总结

本次实验通过numpy实现了前馈神经网络的搭建与训练过程，将数学理论推导通过代码实现，加深了对神经网络的理解，同时通过对神经网络拓扑结构、激活规则和学习算法的更改，比较前后模型学习能力，与理论知识相结合，有很大的收获。根据实验结果对比分析得到了如下心得体会：
（1） 随着网络层数的加深和神经元个数的增加，模型的拟合能力会变强。
（2） Sigmoid激活函数在收敛速度上不如Relu函数，原因应该是Sigmoid函数两端饱和，易发生梯度消失问题，在本次实验中效果一般。
（3） 小批量梯度下降算法比批量梯度下降算法收敛速度快很多，且模型的准确率更高。
（4） 综合模型采用激活函数，3层神经网络（2层隐藏层）,小批量梯度下降算法，模型的收敛速度快，在eopch为20时就已基本收敛，且准确率最高，在训练集和测试集上分别为0.95358和0.9494。
在实验的过程中也遇到了问题，当加深神经网络或增加神经元个数时，输出层Softmax函数在计算时会发生上溢出，但是输入时，像素值已经进行了标准化，通过查阅资料以及和同学讨论后发现，可能是因为权重初始化时值较大，随着神经网络层数的增加，向前传播不断累积，导致最后输出时值较大，做指数运算后数值太大导致溢出，解决方案有：减小初始化权重值并适当增大学习率，从Softmax函数计算做出改变。