[python] 深度学习基础------人工神经网络实现鸢尾花分类(二)

简介: [python] 深度学习基础------人工神经网络实现鸢尾花分类(二)

具体实现过程:



定义特征和标签


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我们看一下具体的实现过程,用神经网络实现鸢尾花的分类,输入数据是1行4列的数据,通过一个神经网络,输出是每一个种类的可能性大小,这个神经网络里的每一个具有计算功能的粉色小球,就是一个神经元


介绍MP模型


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1943年,英国 物理学家麦卡洛克 和 数学家皮茨 这两个人就给出了神经元的计算模型,称之为MP模型,MP模型是每一个输入特征乘以线上的权重,求和,再通过一个非线性函数输出。


为了求解简单我们暂时去掉非线性函数,把MP模型简化为这个样子,就是所有的输入x乘以各自线上的权重w,求和,加上偏置项b,输入y。


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可以写成这样一个式子,y = x*w+b


输出y是一行三列的                                x是输入特征  一行四列的  


w是权重 是四行三列的                           b是3个偏置项(可以自定义参数的)


针对我们鸢尾花的例子,x是输入特征,w是权重,b是三个偏置项,y就是三种鸢尾花各自的可能性大小。


用神经网络实现鸢尾花分类:搭建网络


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输入是四个特征,所以这里是四个输入节点,输出是三种鸢尾花各自可能性大小,所以这里是三个输出节点


中间连线有4行3列,一共12个线上的权重w,每个神经元还有一个偏置项b,于是我们就搭建出了这样一个神经网络结构


左右都有连接关系我们称之为全连接网络


有了网络结构,线上的权重w和偏置b会被随机初始化为一些随机数,


用神经网络实现鸢尾花分类:喂入数据


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喂入一组数据  5.8 4.0 1.2 0.2和他们对应的标签    标签: 0狗尾草鸢尾  


用神经网络实现鸢尾花分类:前向传播


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神经网络执行前向传播,x*w+b代入数据,计算出y,这个过程就叫做前向传播


用神经网络实现鸢尾花分类:损失函数


我们通过输出y可以看出,数据最大的也就是可能性最高的是1 , 而不是标签0 (喂入数据特征对应的是标签0)


这是因为最初的参数W和B都是随机产生的,现在输出的结果就是蒙的,


我们用损失函数定义预测值 y 和标准答案也就是标签 y' 的差距,损失函数可以定量的判断当前这组参数W和B的优劣,


从而让我们得到最优的W和B的值,因为损失函数表达的是预测值与标准答案之间的差距,


当损失函数最小值,参数W和B就会出现最优值。


损失函数的定义有很多种方法,均方误差就是一种常用的损失函数,它计算每个前向传播输出y和标准答案 y' 的差,求平方,在求和,再除以n取平均值。


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表征了网络前向传播推理(结果)和标准答案之间的差距


用神经网络实现鸢尾花分类:梯度下降


我们的目的是要寻找一组参数W和B使得损失函数最小


损失函数的梯度:表示损失函数对各参数求偏导后的向量,损失函数梯度下降方向是函数减小方向


梯度下降就是沿着损失函数梯度下降的方向,寻找损失函数的最小值,得到最优参数的方法


学习率(learning rate,lr):当学习率设置的过小时,收敛过程将变得十  分缓慢。而当学习率设置的过大时,梯度可能会在最小值附近来回震荡,  甚至可能无法收敛。


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这个公式给出了梯度下降法更新参数的计算,其中 lr 是学习率,是梯度下降的速度,是一个超参数,如果学习率设置过小,参数更新会很慢,如果学习率设置过大,参数更新会跳过最小值,这个公式很重要  需要记住


用神经网络实现鸢尾花分类:反向传播


反向传播:从后向前,逐层求损失函数对每层神经元参数  的偏导数,迭代更新所有参数。


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我们用这个公式体会一下反向传播参数更新的过程,假设损失函数是 W+1 的平方,损失函数对参数w的偏导是 2W+2 , 参数w在初始化的时候被随机初始化为 5 , 学习率是个超参数  我们设置为 0.2 ;


我们画出损失函数 W+1 的平方图像,优化参数W就是要找到某个w,使损失函数的梯度减少,从图上我们可以直观的看到,损失函数最小点应该在这个位置,也就是-1 , 损失函数loss的值最小,


我们优化参数的目的就是为了找到损失函数loss值最小

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