神经网络的应用（分类和预测）——python

神经网络的应用

一.数据预处理

​ 由于神经网络输入数据的范围可能特别大，导致神经网络收敛慢、训练时间长。因此在训练神经网络前一般对数据进行预处理(不妨假设这里的指标都是效益型的(即都是正项指标))，一种重要的预处理的处理手段是归一化处理，就是将数据映射到[0,1]或者[-1,1]区间。

设$x$为规格化前的数据$,x_{min}和x_{max}$为$x$的最大值和最小值;$\tilde{x}$为规格化后的数据，$\bar{x}$为$x$的平均值，$s$为$x$的标准差，用python计算标准差时，需要表明自由度是$n$还是$n-1$(参数ddof=0自由度为$n$，ddof=1自由度为$n-1$)

​ 第一种归一化的线性变换为：
$$\tilde{x}=\frac{x-x_{min}}{x_{max}-x_{\min }}\text{\hspace{1em}(1)}$$

​ 该归一化处理一般适用于激活函数是sigmoid函数时。

sigmoid函数：

sigmoid函数也叫Logistic函数，用于隐层神经元输出，取值范围为(0,1)，它可以将一个实数映射到(0,1)的区间，可以用来做二分类。在特征相差比较复杂或是相差不是特别大时效果比较好。Sigmoid作为激活函数有以下优缺点：

优点：平滑、易于求导。

缺点：激活函数计算量大，反向传播求误差梯度时，求导涉及除法；反向传播时，很容易就会出现梯度消失的情况，从而无法完成深层网络的训练。

Sigmoid函数由下列公式定义：
$$S(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$$
其导数可用原函数来表示：
$$S^{\prime }(x)=\frac{e^{-x}}{{\left(1+e^{-x}\right)}^2}=S(x)(1-S(x))$$
sigmoid函数曲线如下：

参考文章：sigmoid函数，百度百科

第二种归一化的线性变换为：
$$\tilde{x}=\frac{2x-\left(x_{min}+x_{\max }\right)}{x_{max}-x_{\min }}=\frac{2\left(x-x_{\min }\right)}{x_{max}-x_{\min }}-1\text{\hspace{1em}(2)}$$

上述公式将数据映射到区间[-1,1]上，一般激活函数是$\tanh$函数时。

tanh函数相较于sigmoid函数要更加常见一些，该函数将区间$(-\infty ,\infty )$映射到$(-1,1)$

改公式为：
$$f\left(u\right)=\frac{e^u-e^{-u}}{e^u+e^{-u}}$$
函数图像为：

数据预处理也可以进行一般的标准化处理：
$$\tilde{x}=\frac{x-\bar{x}}{s}\text{\hspace{1em}(3)}$$

二.引用举例

我国沪、深两市上市公司中有非ST公司和ST公司，一般而言非ST公司的信用等级较高，ST公司的信用等级较差。为有效评价上市公司信用，建立了上市公司信用评价指标如下：流动比率$x_1$，负债比率$x_2$，存货周转率$x_3$，总资产周转率$x_4$，净资产收益率$x_5$，每股收益率$x_6$，总利润增长率$x_7$，每股经营现金流量$x_8$。已知训练样本和待判样本的数据如表15.9所列，其中类别中的值1表示是ST公司，0表示不是ST公司。

我把数据放在了这里：点击“我”即可，我是svip应该不会失效

提取码：6666

序号	$x_1$	$x_2$	$x_3$	$x_4$	$x_5$	$x_6$	$x_7$	$x_8$	类别
1	0.404	39.15	15.55	10.75	0.524	3.645	2.395	0.31	0
2	1.263	54.17	6.13	19.47	2.198	10.336	0.495	0.118	0
3	0.871	11.88	6.98	-18.22	0.481	16.146	6.385	0.624	0
4	1.317	20.38	13.13	57.79	0.299	19.396	1.937	0.673	0
5	0.722	9.33	10.09	10.22	0.444	2.515	17.564	0.3	0
6	-0.195	26.28	0.95	-7.59	0.292	0.596	4.78	0.015	1
7	0.329	22.76	1.74	-56.57	0.357	0.543	3.238	0.087	1
8	-0.001	269.39	-20.85	44.49	0.093	3.466	0.123	-0.329	1
9	-0.222	73.68	2.04	106.73	0.654	3.157	0.841	0.021	1
10	0.005	42.77	-4.15	-205.21	0.472	2.622	1.882	-0.048	1
11	1.564	59.86	-9.22	-313.31	0.284	1.565	1.444	-0.102	待判
12	0.74	13.27	6.14	-7.3	0.554	18.406	5.631	0.482	待判

解：对于正项指标(效益型指标)$x_1,x_3,x_4,x_5,x_6,x_7,x_8$,利用公式
$$\tilde{x}=\frac{x_i-x_i^{min}}{x_i^{max}-x_i^{min}},i=1,3,4,5,6,7,8$$
进行数据标准化处理，对逆向指标(成本型指标)$x_2$，利用公式
$${\tilde{x}}_2=\frac{x_{{}_2}^{min}-x_2}{x_{{}_2}^{max}-x_{{}_2}^{min}}$$

进行数据标准化处理，其中$x_i^{min}和x_i^{max}$分别代表数据$x_i$的最小值和最大值

我们构造的BP神经元网络只有一个隐层，隐藏神经元的个数为30，激活函数为sigmoid函数，编写程序如下：

注：如果出现代码不能运行的情况，请跳到最后查看可能的解决方法

# coding=utf-8
'''
author:chuanshana
email:[email protected]
'''
import pandas as pd
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
import numpy as np

# 加载数据
data = pd.read_csv("D:\Pycharm\math_machine\公司数据.csv", index_col=0)
# 提取训练样本数据和待判样本数据
train_x = data.loc[:10, :]  # 这就是前9行数据
judge_data = data.loc[10:, :]  # 待判断数据
print(judge_data)
# 逐列计算最大值和最小值
x_max = train_x.max(axis=0)
x_min = train_x.min(axis=0)  # 如果axis=1就是计算每一行的最大值和最小值
print(x_max, "\n", x_min)
# 使用归一化对数据进行处理
# 注意注意,这里我们要转化一下数据类型,不然可能会报错，字符串与字符串无法使用减号
#train_x = train_x.apply(pd.to_numeric)
#x_min = x_min.apply(pd.to_numeric)
#judge_data = judge_data.apply(pd.to_numeric)
#x_max = x_max.apply(pd.to_numeric)  # 到这数据转换完毕
standardization = (train_x - x_min) / (x_max - x_min)
# 这里的x2是逆向指标,我们需要做额外的标准化:
standardization.iloc[:, 1] = (x_min[1] - train_x.iloc[:, 1]) / (x_max[1] - x_min[1])  # 到此我们的训练集数据标准化完成
y_0 = np.hstack([np.zeros(5), np.ones(5)])  # 标号值，5个0,5个1
print("训练集数据标准化已完成", "\n", standardization)
# 构造并拟合模型
model = MLPClassifier(solver="lbfgs", activation="logistic", hidden_layer_sizes=30).fit(standardization, y_0)
# 待判数据标准化
judge_data = (judge_data - x_min) / (x_max - x_min)
# 同样第二列特殊处理
judge_data.iloc[:, 1] = (x_min[1] - judge_data.iloc[:, 1]) / (x_max[1] - x_min[1])
# 进行预测
y_predict = model.predict(judge_data)
print("待判样本类别", y_predict,
      "\n", "属于各个样本的概率", model.predict_proba(standardization), "\n", "训练样本的回带正确率:",model.score(standardization, y_0))

输出以下结果：

待判样本类别 [1. 1. 0.] 
属于各个样本的概率 [[9.98714907e-01 1.28509280e-03]
 [9.99936911e-01 6.30890421e-05]
 [9.99999817e-01 1.83165349e-07]
 [9.99999976e-01 2.43444948e-08]
 [9.99971586e-01 2.84135661e-05]
 [5.37581236e-05 9.99946242e-01]
 [7.15229062e-04 9.99284771e-01]
 [2.12967288e-09 9.99999998e-01]
 [4.15167133e-04 9.99584833e-01]
 [3.82928356e-06 9.99996171e-01]] 
 训练样本的回带正确率: 1.0

即第10家公司是ST公司(这是我们已知的)，第11家公司也是ST公司，第12家公司不是ST公司

三.一些需要注意的地方

• MLPRegressor所需要的参数有哪些

  这个问题让我先问下Chatgpt

  • hidden_layer_sizes：一个整型列表，表示每层隐藏层中神经元的个数。例如，hidden_layer_sizes=(100, 50, 25)表示网络中包含三层隐藏层，每层分别有100、50和25个神经元。
  • activation：表示激活函数的类型。默认情况下，MLPRegressor使用“relu”，即“Rectified Linear Unit”激活函数。此外，还可以选择“logistic”、“tanh”等激活函数。
  • solver：表示用于训练模型的优化算法。常用的优化算法有“lbfgs”、“sgd”和“adam”。
  • alpha：一个浮点数，表示L2正则化项的系数。正则化是一种用于防止过拟合的方法，其中alpha越大，正则化的效果越强。
  • learning_rate_init：一个浮点数，表示优化算法的初始学习率。

• 当出现unsupported operand type(s) for -: 'str' and 'str'这样的报错时，就要考虑转换数据类型

  #train_x = train_x.apply(pd.to_numeric)
  #x_min = x_min.apply(pd.to_numeric)
  #judge_data = judge_data.apply(pd.to_numeric)
  #x_max = x_max.apply(pd.to_numeric)  # 到这数据转换完毕
  

• 使用pandas提取某几行数据时，使用df.iloc[]这样提取

• 我们导入的数据应该是这样的，只有x1到x8的数据，没有分类数据

  

课后作业

例 15.12据研究，某地区的公路客运量主要与该地区的人数、机动车数量和公路面积有关，表15.10所列为该地区1990—2009年20年间公路客运量的相关数据。根据有关部门数据，该地区2010年和2011年的人数分别为73.39万人、75.55万人，机动车数量分别为3.9635万辆、4.0975万辆，公路面积分别为0.9880万m2、1.0268万m。请利用BP神经网络预测该地区2010年和2011年的公路客运量。

年份	人口数量/万人	机动车数量/万辆	公路面积/万km2	客运量/万人
1990	20.55	0.6	0.09	5126
1991	22.44	0.75	0.11	6217
1992	25.37	0.85	0.11	7730
1993	27.13	0.9	0.14	9145
1994	29.45	1.05	0.2	10460
1995	30.1	1.35	0.23	11387
1996	30.96	1.45	0.23	12353
1997	34.06	1.6	0.32	15750
1998	36.42	1.7	0.32	18304
1999	38.09	1.85	0.34	19836
2000	39.13	2.15	0.36	21024
2001	39.99	2.2	0.36	19490
2002	41.93	2.25	0.38	20433
2003	44.59	2.35	0.49	22598
2004	47.3	2.5	0.56	25107
2005	52.89	2.6	0.59	33442
2006	55.73	2.7	0.59	36836
2007	56.76	2.85	0.67	40548
2008	59.17	2.95	0.69	42927
2009	60.63	3.1	0.79	43462

参考解答：
数据地址链接：https://pan.baidu.com/s/1jUsDubJUmvdiipvZdqagZw?pwd=6666
提取码：6666

# coding=utf-8
'''
author:chuanshana
email:[email protected]
'''
import pandas as pd
from sklearn.neural_network import MLPRegressor
import numpy as np
import pylab as plt

data = pd.read_csv("D:\Pycharm\math_machine\神经网络\某地区公路客运量相关数据.csv", encoding="gbk", index_col=0)
# 同样提取出训练样本数据
train_data = data.iloc[:, :3]
# print(train_data)

y_data = data.iloc[:, 3]
# print(y_data)
# 计算出最大值和最小值
x_min = train_data.min(axis=0)
# print(x_min)
x_max = train_data.max(axis=0)
# print(x_max)
# 进行数据标准化,令我疑惑的一点是这里的y并没有进行标准化
standardization = 2 * ((train_data - x_min) / (x_max - x_min)) - 1
print(standardization)
# 构造并拟合模型
model = MLPRegressor(solver="lbfgs", activation="identity", hidden_layer_sizes=10,
                     ).fit(standardization, y_data)  # 这两个参数加不加values都一样
# 根据给出的数据进行预测
given_data = np.array([[73.39, 3.9635, 0.9880], [75.55, 4.0975, 1.0268]])
print(given_data)
xy_min = (x_min.values)  # 注意看这里重新计算了一下，提取上面的数值
xy_max = (x_max.values)  # 下面也是这样的
given_data_standardization = 2 * (given_data - xy_min) / (xy_max - xy_min) - 1  # 进行数据标准化
y_predict = model.predict(given_data_standardization)
print("预测的数据分别为:", np.round(y_predict, 4))  # 保留四位小数
y_0_predict = model.predict(standardization)  # 对测试集进行预测
print("原数据的预测值为:", y_0_predict)
all_predict = list(y_0_predict) + list(y_predict)
# 计算测试集预测值与真实值的误差,百分之多少
delta = abs((y_0_predict - y_data) / y_data) * 100
print("已知数据的相对误差:", np.round(delta, 4))
# 可视化:
t = np.arange(1990, 2010)
predict_t = np.arange(1990, 2012)
plt.rc("font", size=15);
plt.rc("font", family="KaiTi")
plt.plot(t, y_data, "--o", label="原始数据")
plt.plot(predict_t, all_predict, "-*", label="预测数据")
plt.xticks(predict_t, rotation=55)
plt.grid(True)
plt.legend()
plt.show()

输出预测值分别为 [54449.6164 56573.6837]

本文参考了司守奎的数学建模算法与应用，由于作者是用的txt格式，所以在数据方面还需琢磨一番。比如的pandas的语法，iloc这些