# -*- coding: utf-8 -*-
"""
本文博客地址:https://blog.csdn.net/u013733326/article/details/79702148
@author: Oscar
"""
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from testCases import *
import sklearn
import sklearn.datasets
import sklearn.linear_model
from planar_utils import plot_decision_boundary, sigmoid, load_planar_dataset, load_extra_datasets
#%matplotlib inline #如果你使用用的是Jupyter Notebook的话请取消注释。
np.random.seed(1) #设置一个固定的随机种子,以保证接下来的步骤中我们的结果是一致的。
X, Y = load_planar_dataset()
#plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=Y, s=40, cmap=plt.cm.Spectral) #绘制散点图
shape_X = X.shape
shape_Y = Y.shape
m = Y.shape[1] # 训练集里面的数量
print ("X的维度为: " + str(shape_X))
print ("Y的维度为: " + str(shape_Y))
print ("数据集里面的数据有:" + str(m) + " 个")
#获得每层的个数
def layer_sizes(X , Y):
"""
参数:
X - 输入数据集,维度为(输入的数量,训练/测试的数量)
Y - 标签,维度为(输出的数量,训练/测试数量)
返回:
n_x - 输入层的数量
n_h - 隐藏层的数量
n_y - 输出层的数量
"""
n_x = X.shape[0] #输入层
n_h = 4 #,隐藏层,硬编码为4
n_y = Y.shape[0] #输出层
return (n_x,n_h,n_y)
#初始化参数
def initialize_parameters( n_x , n_h ,n_y):
"""
参数:
n_x - 输入节点的数量
n_h - 隐藏层节点的数量
n_y - 输出层节点的数量
返回:
parameters - 包含参数的字典:
W1 - 权重矩阵,维度为(n_h,n_x)
b1 - 偏向量,维度为(n_h,1)
W2 - 权重矩阵,维度为(n_y,n_h)
b2 - 偏向量,维度为(n_y,1)
"""
np.random.seed(2) #指定一个随机种子,以便你的输出与我们的一样。
W1 = np.random.randn(n_h,n_x) * 0.01
b1 = np.zeros(shape=(n_h, 1))
W2 = np.random.randn(n_y,n_h) * 0.01
b2 = np.zeros(shape=(n_y, 1))
#使用断言确保我的数据格式是正确的
assert(W1.shape == ( n_h , n_x ))
assert(b1.shape == ( n_h , 1 ))
assert(W2.shape == ( n_y , n_h ))
assert(b2.shape == ( n_y , 1 ))
parameters = {"W1" : W1,
"b1" : b1,
"W2" : W2,
"b2" : b2 }
return parameters
#向前传播 依次计算 Z A y HAT 同时将A,Z保存以来,以便之后反向传播时计算梯度
def forward_propagation( X , parameters ):
"""
参数:
X - 维度为(n_x,m)的输入数据。
parameters - 初始化函数(initialize_parameters)的输出
返回:
A2 - 使用sigmoid()函数计算的第二次激活后的数值
cache - 包含“Z1”,“A1”,“Z2”和“A2”的字典类型变量
"""
W1 = parameters["W1"]
b1 = parameters["b1"]
W2 = parameters["W2"]
b2 = parameters["b2"]
#前向传播计算A2
Z1 = np.dot(W1 , X) + b1
A1 = np.tanh(Z1)
Z2 = np.dot(W2 , A1) + b2
A2 = sigmoid(Z2)
#使用断言确保我的数据格式是正确的
assert(A2.shape == (1,X.shape[1]))
cache = {"Z1": Z1,
"A1": A1,
"Z2": Z2,
"A2": A2}
return (A2, cache)
#计算损失函数
def compute_cost(A2,Y,parameters):
"""
计算方程(6)中给出的交叉熵成本,
参数:
A2 - 使用sigmoid()函数计算的第二次激活后的数值
Y - "True"标签向量,维度为(1,数量)
parameters - 一个包含W1,B1,W2和B2的字典类型的变量
返回:
成本 - 交叉熵成本给出方程(13)
"""
m = Y.shape[1]
W1 = parameters["W1"]
W2 = parameters["W2"]
#计算成本
logprobs = logprobs = np.multiply(np.log(A2), Y) + np.multiply((1 - Y), np.log(1 - A2))
cost = - np.sum(logprobs) / m
cost = float(np.squeeze(cost))
assert(isinstance(cost,float))
return cost
#向后传播
def backward_propagation(parameters,cache,X,Y):
"""
使用上述说明搭建反向传播函数。
参数:
parameters - 包含我们的参数的一个字典类型的变量。
cache - 包含“Z1”,“A1”,“Z2”和“A2”的字典类型的变量。
X - 输入数据,维度为(2,数量)
Y - “True”标签,维度为(1,数量)
返回:
grads - 包含W和b的导数一个字典类型的变量。
"""
m = X.shape[1]
W1 = parameters["W1"]
W2 = parameters["W2"]
A1 = cache["A1"]
A2 = cache["A2"]
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
#更新参数 迭代时使用
def update_parameters(parameters,grads,learning_rate=1.2):
"""
使用上面给出的梯度下降更新规则更新参数
参数:
parameters - 包含参数的字典类型的变量。
grads - 包含导数值的字典类型的变量。
learning_rate - 学习速率
返回:
parameters - 包含更新参数的字典类型的变量。
"""
W1,W2 = parameters["W1"],parameters["W2"]
b1,b2 = parameters["b1"],parameters["b2"]
dW1,dW2 = grads["dW1"],grads["dW2"]
db1,db2 = grads["db1"],grads["db2"]
W1 = W1 - learning_rate * dW1
b1 = b1 - learning_rate * db1
W2 = W2 - learning_rate * dW2
b2 = b2 - learning_rate * db2
parameters = {"W1": W1,
"b1": b1,
"W2": W2,
"b2": b2}
return parameters
#神经网络模型整合
def nn_model(X,Y,n_h,num_iterations,print_cost=False):
"""
参数:
X - 数据集,维度为(2,示例数)
Y - 标签,维度为(1,示例数)
n_h - 隐藏层的数量
num_iterations - 梯度下降循环中的迭代次数
print_cost - 如果为True,则每1000次迭代打印一次成本数值
返回:
parameters - 模型学习的参数,它们可以用来进行预测。
"""
np.random.seed(3) #指定随机种子
n_x = layer_sizes(X, Y)[0]
n_y = layer_sizes(X, Y)[2]
parameters = initialize_parameters(n_x,n_h,n_y)
W1 = parameters["W1"]
b1 = parameters["b1"]
W2 = parameters["W2"]
b2 = parameters["b2"]
for i in range(num_iterations):
A2 , cache = forward_propagation(X,parameters)
cost = compute_cost(A2,Y,parameters)
grads = backward_propagation(parameters,cache,X,Y)
parameters = update_parameters(parameters,grads,learning_rate = 0.5)
if print_cost:
if i%1000 == 0:
print("第 ",i," 次循环,成本为:"+str(cost))
return parameters
#根据迭代之后的参数 预测类别
def predict(parameters,X):
"""
使用学习的参数,为X中的每个示例预测一个类
参数:
parameters - 包含参数的字典类型的变量。
X - 输入数据(n_x,m)
返回
predictions - 我们模型预测的向量(红色:0 /蓝色:1)
"""
A2 , cache = forward_propagation(X,parameters) #向前传播
predictions = np.round(A2) #进一
return predictions
parameters = nn_model(X, Y, n_h = 4, num_iterations=10000, print_cost=True)
#绘制边界
plot_decision_boundary(lambda x: predict(parameters, x.T), X, np.squeeze(Y)) #这里要加上np.squeeze
plt.title("Decision Boundary for hidden layer size " + str(4))
predictions = predict(parameters, X)
print ('准确率: %d' % float((np.dot(Y, predictions.T) + np.dot(1 - Y, 1 - predictions.T)) / float(Y.size) * 100) + '%')
plt.figure(figsize=(16, 32))
hidden_layer_sizes = [1, 2, 3, 4, 5, 20, 50] #隐藏层数量
for i, n_h in enumerate(hidden_layer_sizes):
plt.subplot(5, 2, i + 1)
plt.title('Hidden Layer of size %d' % n_h)
parameters = nn_model(X, Y, n_h, num_iterations=5000)
plot_decision_boundary(lambda x: predict(parameters, x.T), X, np.squeeze(Y))
predictions = predict(parameters, X)
accuracy = float((np.dot(Y, predictions.T) + np.dot(1 - Y, 1 - predictions.T)) / float(Y.size) * 100)
print ("隐藏层的节点数量: {} ,准确率: {} %".format(n_h, accuracy))
绘制边界的模块
def plot_decision_boundary(model, X, y):
# Set min and max values and give it some padding
x_min, x_max = X[0, :].min() - 1, X[0, :].max() + 1
y_min, y_max = X[1, :].min() - 1, X[1, :].max() + 1
h = 0.01
# Generate a grid of points with distance h between them
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
# Predict the function value for the whole grid
Z = model(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
Z = Z.reshape(xx.shape)
# Plot the contour and training examples
plt.contourf(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.ylabel('x2')
plt.xlabel('x1')
plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=y, cmap=plt.cm.Spectral)
①这里传入的参数 model 不是一个模型,而是一个匿名函数 predict 需要注意!!
如上文中的lambda x: predict(parameters, x.T)
文中出现model的地方 其实是调用了predict函数。
②这里的Y 运用在了c=y上,所以应该是一个秩为1的矩阵,我们这里的Y是(m,1)的向量,所以传参时,应该传入的是np.squeeze(Y)
label = np.squeeze(Y) #对应每个散点的颜色
plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=label, s=40, cmap=plt.cm.Spectral) #绘制散点图
#cmap = plt.cm.Spectral实现的功能是给label为1的点一种颜色,给label为0的点另一种颜色。 s: 散点的大小
#label:每个散点对应的颜色 (传入到c) c: 示的是色彩或颜色序列,可选,默认蓝色’b’。c可以是一个RGB或RGBA二维行数组;