BP神经网络python简单实现2(性能优化)
这一版本主要是对 http://blog.csdn.net/net_wolf_007/article/details/52055718 实现的版本进行优化
上一版本主要是根据理论知识实现简单版本，步聚比较清晰。里面存在严重的性能问题，对激活函数的扩展问题及不能批量训练等主要问题。
性能上在 http://blog.csdn.net/net_wolf_007/article/details/52059602 实现手写识别时，只训练10轮就花费了快一个小时，这是不能接受的。这一版本通过优化方法：
- 去掉神经元类，把功能合并入NetLayer类中，使用矩阵计算加快速度
- 调整代码实现批量训练方法。
- 优化程序中numpy库运算顺序，避免产生中间变量。原理可见 numpy.array 操作简单总结
经过优化，同样的内容共花的时间只有20s，相对于原来的1个小时，已经很好了，而且还可以通过增加批次训练的个数来提升速度（当前一次只训练100个输入, 我试过增加到500个， 只需花10s, 准确率不变）。
激活函数扩展上，经分析调试，是由于每次权值更新的数据过大引起的，所以这版本对权值更新的数据大小进行了限制。如下代码
max_weight = max(np.amax(w_add), -np.amin(w_add)) * 2
w_add /= max_weight这样就可以扩展到新的激活函数上了。
同时这一版本中对除了输出层之外都加了偏置。
经过优化分，用此版本来训练手写数字识别，识别度达到了97%， 到达预期效果。
完整代码如下：
__author__ = 'xxx'
import numpy as np
from datetime import datetime
from sklearn.metrics import classification_report
def new_str():
return datetime.now().strftime('%b-%d-%y %H:%M:%S')
def logistic(x):
return 1 / (1 + np.exp(-x))
def logistic_derivative(x):
tmp1 = logistic(x)
return tmp1 - tmp1**2
def rectify(x):
return x*(x > 0)
def rectify_derivative(x):
x = x.copy()
x[x > 0] = 1
x[x < 0] = 0
return x
class NetLayer:
'''
网络层封装
管理当前网络层的神经元列表
'''
def __init__(self, len_node, in_count, momentum=0.9, bias=True):
'''
:param len_node: 当前层的神经元数
:param in_count: 当前层的输入数
'''
self.nonlinear = (logistic, logistic_derivative)
self.nonlinear = (rectify, rectify_derivative)
self.bias = bias
if bias:
in_count += 1# bias
self.weights = np.reshape(np.random.uniform(-0.05, 0.05, len_node*in_count), (len_node, in_count))
self.last_weight_add = np.zeros((len_node, in_count))
self.deltas_item = np.zeros(len_node)
# 记录下一层的引用，方便递归操作
self.next_layer = None
self.input = np.array([])
self.output = np.array([])
self.momentum = momentum
def calc_output(self, x):
if self.bias:
self.input = np.hstack((x, np.ones((len(x),1))))
else:
self.input = x
self.output = self.nonlinear[0](np.dot(self.input, self.weights.T))
if self.next_layer is not None:
return self.next_layer.calc_output(self.output)
return self.output
def update_weight(self, learning_rate, target):
'''
更新当前网络层及之后层次的权重
使用了递归来操作，所以要求外面调用时必须从网络层的第一层（输入层的下一层）来调用
:param learning_rate: 学习率
:param target: 输出值
'''
self.deltas_item = self.nonlinear[1](self.output)
if self.next_layer is None:
self.deltas_item *= (target - self.output)
else:
self.deltas_item *= self.next_layer.update_weight(learning_rate, target)
w_add = np.dot(self.deltas_item.T, self.input)
max_weight = max(np.amax(w_add), -np.amin(w_add)) * 2
w_add /= max_weight
w_add *= learning_rate
self.last_weight_add *= self.momentum
self.last_weight_add += w_add
self.weights += self.last_weight_add
weights = self.weights if not self.bias else self.weights[:, :-1]
return np.dot(self.deltas_item, weights)
class NeuralNetWork:
def __init__(self, layers):
self.layers = []
self.construct_network(layers)
pass
def construct_network(self, layers):
last_layer = None
for i, layer in enumerate(layers):
if i == 0:
continue
cur_layer = NetLayer(layer, layers[i-1], bias=(i+1 != len(layers)))
self.layers.append(cur_layer)
if last_layer is not None:
last_layer.next_layer = cur_layer
last_layer = cur_layer
def fit(self, x_train, y_train, x_test, y_test, learning_rate=0.1, epochs=10, shuffle=False):
'''
训练网络, 默认按顺序来训练
方法 1：按训练数据顺序来训练
方法 2: 随机选择测试
:param x_train: 输入数据
:param y_train: 输出数据
:param learning_rate: 学习率
:param epochs:权重更新次数
:param shuffle:随机取数据训练
'''
indices = np.arange(len(x_train))
length = 100
for n in range(epochs):
# print(new_str(), "epochs {}...".format(n))
if shuffle:
np.random.shuffle(indices)
for index in range(len(indices)//length):
indexes = indices[index*length: (index+1)*length]
self.layers[0].calc_output(x_train[indexes])
self.layers[0].update_weight(learning_rate, y_train[indexes])
print(new_str(),"epochs", n)
self.show_test( x_test, y_test)
def show_test(self, x_test, y_test):
predict = self.predict(x_test)
predicts = []
for p in predict:
predicts.append(unformat_y(p))
predicts = np.array(predicts)
ok_cnt = sum([1 for i in range(len(predicts)) if predicts[i] == y_test[i]])
print(ok_cnt, len(predicts), "%.3f" % (float(ok_cnt)/len(predicts)))
print(classification_report(y_test, predicts))
def predict(self, x):
return self.layers[0].calc_output(x)
def format_y(data):
y_tmp = np.zeros((len(data), 10))
for i in range(len(data)):
y_tmp[i, data[i]] = 1
return y_tmp
def unformat_y(data):
# return np.where(data == np.amax(data))[0]
m = max(data)
for j, val in enumerate(data):
if val == m:
return j
return 11
测试代码如下：
def load_source(filename):
with open(filename, "r") as file:
lines = file.readlines()
return lines[1:]
if __name__ == '__main__':
print(new_str(), "test neural network")
np.set_printoptions(precision=3, suppress=True)
# data_lines = np.loadtxt(open("./data/train.csv","rb"),delimiter=",",skiprows=1).astype(np.int)
data_lines = load_source("./data/train.csv")
for i in range(len(data_lines)):
data_lines[i] = data_lines[i].split(',')
data_lines = np.array(data_lines).astype(np.int)
x_data = data_lines[:, 1:]/256 #格式化数据
y_data = data_lines[:, 0]
TEST = -2000
x_train = x_data[:TEST]
y_train = y_data[:TEST]
x_test = x_data[TEST:]
y_test = y_data[TEST:]
print(new_str(), "train len", len(x_train), "test len:", len(x_test))
print(new_str(), "start train...")
network = NeuralNetWork([28*28, 250, 100, 10])
network.fit(x_train=x_train, y_train=format_y(y_train), x_test=x_test, y_test=y_test, learning_rate=0.01, epochs=10, shuffle=False)
结果输出：
Aug-04-16 18:59:32 test neural network
Aug-04-16 18:59:44 train len 40000 test len: 2000
Aug-04-16 18:59:44 start train...
Aug-04-16 18:59:46 epochs 0
1897 2000 0.949
precision recall f1-score support
0 0.95 0.98 0.96 197
1 0.96 0.98 0.97 225
2 0.94 0.95 0.95 190
3 0.94 0.95 0.95 198
4 0.92 0.97 0.95 226
5 0.95 0.88 0.91 162
6 0.98 0.96 0.97 216
7 0.99 0.95 0.97 202
8 0.90 0.94 0.92 179
9 0.96 0.90 0.93 205
avg / total 0.95 0.95 0.95 2000
Aug-04-16 18:59:48 epochs 1
1906 2000 0.953
precision recall f1-score support
0 0.91 0.99 0.95 197
1 0.99 0.95 0.97 225
2 0.96 0.94 0.95 190
3 0.93 0.95 0.94 198
4 0.98 0.95 0.97 226
5 0.95 0.91 0.93 162
6 0.99 0.97 0.98 216
7 0.98 0.96 0.97 202
8 0.88 0.96 0.91 179
9 0.95 0.93 0.94 205
avg / total 0.95 0.95 0.95 2000
Aug-04-16 18:59:50 epochs 2
1925 2000 0.963
precision recall f1-score support
0 0.96 0.99 0.97 197
1 0.99 0.97 0.98 225
2 0.93 0.97 0.95 190
3 0.96 0.92 0.94 198
4 0.98 0.97 0.97 226
5 0.95 0.93 0.94 162
6 0.99 0.97 0.98 216
7 0.98 0.98 0.98 202
8 0.91 0.96 0.94 179
9 0.96 0.96 0.96 205
avg / total 0.96 0.96 0.96 2000
Aug-04-16 18:59:52 epochs 3
1916 2000 0.958
precision recall f1-score support
0 0.92 0.99 0.96 197
1 0.97 0.98 0.98 225
2 0.92 0.97 0.94 190
3 0.96 0.92 0.94 198
4 0.98 0.95 0.97 226
5 0.97 0.89 0.93 162
6 0.99 0.98 0.98 216
7 0.99 0.97 0.98 202
8 0.92 0.94 0.93 179
9 0.95 0.96 0.95 205
avg / total 0.96 0.96 0.96 2000
Aug-04-16 18:59:54 epochs 4
1926 2000 0.963
precision recall f1-score support
0 0.87 0.99 0.93 197
1 0.99 0.96 0.98 225
2 0.96 0.94 0.95 190
3 0.98 0.95 0.97 198
4 0.97 0.98 0.98 226
5 0.99 0.92 0.95 162
6 0.99 0.98 0.98 216
7 0.97 0.98 0.98 202
8 0.96 0.94 0.95 179
9 0.97 0.96 0.96 205
avg / total 0.96 0.96 0.96 2000
Aug-04-16 18:59:56 epochs 5
1931 2000 0.966
precision recall f1-score support
0 0.94 0.99 0.97 197
1 0.99 0.98 0.98 225
2 0.96 0.96 0.96 190
3 0.96 0.95 0.96 198
4 0.97 0.98 0.98 226
5 0.97 0.93 0.95 162
6 0.99 0.99 0.99 216
7 0.99 0.96 0.97 202
8 0.93 0.94 0.94 179
9 0.94 0.96 0.95 205
avg / total 0.97 0.97 0.97 2000
Aug-04-16 18:59:58 epochs 6
1933 2000 0.967
precision recall f1-score support
0 0.93 0.99 0.96 197
1 0.99 0.96 0.98 225
2 0.95 0.96 0.96 190
3 0.99 0.94 0.97 198
4 0.98 0.99 0.98 226
5 0.98 0.93 0.95 162
6 0.97 0.99 0.98 216
7 0.98 0.97 0.97 202
8 0.93 0.97 0.95 179
9 0.96 0.96 0.96 205
avg / total 0.97 0.97 0.97 2000
Aug-04-16 19:00:00 epochs 7
1939 2000 0.970
precision recall f1-score support
0 0.96 0.99 0.98 197
1 0.99 0.98 0.98 225
2 0.96 0.97 0.97 190
3 0.95 0.96 0.96 198
4 0.99 0.97 0.98 226
5 0.97 0.90 0.94 162
6 0.99 0.99 0.99 216
7 0.99 0.98 0.98 202
8 0.95 0.94 0.95 179
9 0.95 0.99 0.97 205
avg / total 0.97 0.97 0.97 2000
Aug-04-16 19:00:02 epochs 8
1929 2000 0.965
precision recall f1-score support
0 0.89 0.99 0.94 197
1 0.99 0.97 0.98 225
2 0.98 0.95 0.97 190
3 0.97 0.95 0.96 198
4 0.98 0.98 0.98 226
5 0.96 0.93 0.94 162
6 0.99 0.98 0.98 216
7 0.99 0.98 0.98 202
8 0.95 0.91 0.93 179
9 0.96 0.98 0.97 205
avg / total 0.97 0.96 0.96 2000
Aug-04-16 19:00:04 epochs 9
1937 2000 0.969
precision recall f1-score support
0 0.95 0.99 0.97 197
1 0.98 0.97 0.98 225
2 0.98 0.96 0.97 190
3 0.96 0.97 0.96 198
4 0.97 0.98 0.98 226
5 0.98 0.93 0.95 162
6 0.97 0.99 0.98 216
7 0.98 0.98 0.98 202
8 0.95 0.93 0.94 179
9 0.96 0.97 0.96 205
avg / total 0.97 0.97 0.97 2000
Process finished with exit code 0
/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.4/bin/python3.4 /xxx/NeuralNetwork.py
Aug-04-16 19:05:21 test neural network
Aug-04-16 19:05:33 train len 40000 test len: 2000
Aug-04-16 19:05:33 start train...
Aug-04-16 19:05:36 epochs 0
1587 2000 0.793
precision recall f1-score support
0 0.87 0.94 0.91 197
1 0.92 0.96 0.94 225
2 0.79 0.84 0.81 190
3 0.89 0.74 0.81 198
4 0.91 0.76 0.83 226
5 0.57 0.28 0.38 162
6 0.83 0.95 0.88 216
7 0.93 0.81 0.87 202
8 0.55 0.68 0.61 179
9 0.63 0.83 0.72 205
avg / total 0.80 0.79 0.79 2000
Aug-04-16 19:05:38 epochs 1
1725 2000 0.863
precision recall f1-score support
0 0.88 0.96 0.92 197
1 0.93 0.96 0.95 225
2 0.80 0.88 0.84 190
3 0.89 0.76 0.82 198
4 0.95 0.82 0.88 226
5 0.81 0.65 0.72 162
6 0.90 0.92 0.91 216
7 0.95 0.93 0.94 202
8 0.68 0.86 0.76 179
9 0.84 0.84 0.84 205
avg / total 0.87 0.86 0.86 2000
Aug-04-16 19:05:40 epochs 2
1763 2000 0.881
precision recall f1-score support
0 0.88 0.97 0.92 197
1 0.98 0.92 0.95 225
2 0.83 0.87 0.85 190
3 0.88 0.86 0.87 198
4 0.91 0.90 0.90 226
5 0.89 0.65 0.75 162
6 0.95 0.94 0.94 216
7 0.94 0.93 0.93 202
8 0.69 0.90 0.78 179
9 0.89 0.83 0.86 205
avg / total 0.89 0.88 0.88 2000
Aug-04-16 19:05:43 epochs 3
1718 2000 0.859
precision recall f1-score support
0 0.84 0.96 0.90 197
1 0.99 0.89 0.94 225
2 0.79 0.87 0.83 190
3 0.88 0.83 0.85 198
4 0.88 0.86 0.87 226
5 0.86 0.64 0.73 162
6 0.95 0.88 0.91 216
7 0.95 0.92 0.93 202
8 0.62 0.87 0.73 179
9 0.88 0.83 0.85 205
avg / total 0.87 0.86 0.86 2000
Aug-04-16 19:05:45 epochs 4
1769 2000 0.884
precision recall f1-score support
0 0.85 0.97 0.91 197
1 0.98 0.95 0.96 225
2 0.81 0.87 0.84 190
3 0.91 0.83 0.87 198
4 0.90 0.91 0.91 226
5 0.83 0.72 0.77 162
6 0.95 0.91 0.93 216
7 0.97 0.91 0.94 202
8 0.75 0.86 0.80 179
9 0.88 0.86 0.87 205
avg / total 0.89 0.88 0.88 2000
Aug-04-16 19:05:47 epochs 5
1753 2000 0.876
precision recall f1-score support
0 0.86 0.96 0.91 197
1 0.98 0.94 0.96 225
2 0.85 0.85 0.85 190
3 0.90 0.84 0.87 198
4 0.86 0.89 0.88 226
5 0.88 0.70 0.78 162
6 0.90 0.93 0.91 216
7 0.96 0.90 0.93 202
8 0.72 0.86 0.79 179
9 0.87 0.84 0.86 205
avg / total 0.88 0.88 0.88 2000
Aug-04-16 19:05:50 epochs 6
1748 2000 0.874
precision recall f1-score support
0 0.86 0.97 0.91 197
1 0.97 0.93 0.95 225
2 0.80 0.86 0.83 190
3 0.92 0.81 0.86 198
4 0.88 0.89 0.89 226
5 0.92 0.64 0.76 162
6 0.86 0.94 0.90 216
7 0.96 0.92 0.94 202
8 0.73 0.88 0.79 179
9 0.88 0.83 0.85 205
avg / total 0.88 0.87 0.87 2000
Aug-04-16 19:05:52 epochs 7
1743 2000 0.872
precision recall f1-score support
0 0.86 0.97 0.91 197
1 0.97 0.93 0.95 225
2 0.82 0.88 0.85 190
3 0.93 0.83 0.88 198
4 0.89 0.83 0.86 226
5 0.91 0.67 0.77 162
6 0.88 0.92 0.90 216
7 0.95 0.92 0.93 202
8 0.71 0.87 0.78 179
9 0.83 0.85 0.84 205
avg / total 0.88 0.87 0.87 2000
Aug-04-16 19:05:54 epochs 8
1726 2000 0.863
precision recall f1-score support
0 0.89 0.95 0.92 197
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return 1 / (1 + np.exp(-x))
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