【Python实战】——神经网络识别手写数字(一)

简介: 【Python实战】——神经网络识别手写数字

该篇文章以Python实战的形式利用神经网络识别mnist手写数字数据集,包括pickle操作,神经网络关键模型关键函数定义,识别效果评估及可视化等内容,建议收藏练手!

1 探索数据集

1.1 读取并显示数据示例

  运行程序:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
image_size = 28 # width and length
num_of_different_labels = 10 #  i.e. 0, 1, 2, 3, ..., 9
image_pixels = image_size * image_size
train_data = np.loadtxt("D:\\mnist_train.csv", delimiter=",")
test_data = np.loadtxt("D:\\mnist_test.csv", delimiter=",") 
test_data[:10]#测试集前十行

  运行结果:

array([[7., 0., 0., ..., 0., 0., 0.],
       [2., 0., 0., ..., 0., 0., 0.],
       [1., 0., 0., ..., 0., 0., 0.],
       ...,
       [9., 0., 0., ..., 0., 0., 0.],
       [5., 0., 0., ..., 0., 0., 0.],
       [9., 0., 0., ..., 0., 0., 0.]])

1.2 数据集大小

  运行程序:

print(test_data.shape)
print(train_data.shape)

  运行结果:

(10000, 785)
(60000, 785)

  该mnist数据集训练集共10000个数据,有785维,测试集有60000个数据,785维。

1.3 自变量因变量构建

  运行程序:

##第一列为预测类别
train_imgs = np.asfarray(train_data[:, 1:]) / 255
test_imgs = np.asfarray(test_data[:, 1:]) / 255 
train_labels = np.asfarray(train_data[:, :1])
test_labels = np.asfarray(test_data[:, :1])

1.4 One-hot编码

  运行程序

import numpy as np
lable_range = np.arange(10)
for label in range(10):
    one_hot = (lable_range==label).astype(int)
    print("label: ", label, " in one-hot representation: ", one_hot)
    
    
# 将数据集的标签转换为one-hot label
label_range = np.arange(num_of_different_labels)
train_labels_one_hot = (label_range==train_labels).astype(float)
test_labels_one_hot = (label_range==test_labels).astype(float)

1.5 图像数据示例

  运行程序:

# 示例
for i in range(10):
    img = train_imgs[i].reshape((28,28))
    plt.imshow(img, cmap="Greys")
    plt.show()

  运行结果:

1.6 pickle包保存python对象

因为csv文件读取到内存比较慢,我们用pickle这个包来保存python对象(这里面python对象指的是numpy array格式的train_imgs, test_imgs, train_labels, test_labels)

  运行程序:

import pickle
with open("D:\\pickled_mnist.pkl", "bw") as fh:
    data = (train_imgs, 
            test_imgs, 
            train_labels,
            test_labels)
    pickle.dump(data, fh)

2 构建神经网络并训练

2.1 读取pickle文件

  运行程序:

import pickle
with open("D:\\19实验\\实验课大作业\\pickled_mnist.pkl", "br") as fh:
    data = pickle.load(fh)
train_imgs = data[0]
test_imgs = data[1]
train_labels = data[2]
test_labels = data[3]
train_labels_one_hot = (lable_range==train_labels).astype(float)
test_labels_one_hot = (label_range==test_labels).astype(float)
image_size = 28 # width and length
num_of_different_labels = 10 #  i.e. 0, 1, 2, 3, ..., 9
image_pixels = image_size * image_size

2.2 神经网络核心关键函数定义

  运行程序:

import numpy as np
def sigmoid(x):
    return 1 / (1 + np.e ** -x)
##激活函数
activation_function = sigmoid
from scipy.stats import truncnorm
##数据标准化
def truncated_normal(mean=0, sd=1, low=0, upp=10):
    return truncnorm((low - mean) / sd, 
                     (upp - mean) / sd, 
                     loc=mean, 
                     scale=sd)
##构建神经网络模型
class NeuralNetwork:
    
    def __init__(self, 
                 num_of_in_nodes, #输入节点数
                 num_of_out_nodes, #输出节点数
                 num_of_hidden_nodes,#隐藏节点数
                 learning_rate):#学习率
        self.num_of_in_nodes = num_of_in_nodes
        self.num_of_out_nodes = num_of_out_nodes
        self.num_of_hidden_nodes = num_of_hidden_nodes
        self.learning_rate = learning_rate 
        self.create_weight_matrices()
    #初始为一个隐藏节点    
    def create_weight_matrices(self):#创建权重矩阵
 
       # A method to initialize the weight 
        #matrices of the neural network#一种初始化神经网络权重矩阵的方法
        rad = 1 / np.sqrt(self.num_of_in_nodes)  
        X = truncated_normal(mean=0, sd=1, low=-rad, upp=rad)  #形成指定分布
        self.weight_1 = X.rvs((self.num_of_hidden_nodes, self.num_of_in_nodes)) #rvs:产生服从指定分布的随机数
        
        rad = 1 / np.sqrt(self.num_of_hidden_nodes)
        X = truncated_normal(mean=0, sd=1, low=-rad, upp=rad)
        self.weight_2 = X.rvs((self.num_of_out_nodes, self.num_of_hidden_nodes)) #rvs: 产生服从指定分布的随机数
        
    
    def train(self, input_vector, target_vector):
      #
       # input_vector and target_vector can 
        #be tuple, list or ndarray
        #
        
        input_vector = np.array(input_vector, ndmin=2).T#输入
        target_vector = np.array(target_vector, ndmin=2).T#输出
        
        output_vector1 = np.dot(self.weight_1, input_vector) #隐藏层值
        output_hidden = activation_function(output_vector1)#删除不激活
        
        output_vector2 = np.dot(self.weight_2, output_hidden)#输出
        output_network = activation_function(output_vector2)##删除不激活
        
        # calculate output errors:计算输出误差
        output_errors = target_vector - output_network
        
        # update the weights:更新权重
        tmp = output_errors * output_network * (1.0 - output_network)     
        self.weight_2 += self.learning_rate  * np.dot(tmp, output_hidden.T)
        # calculate hidden errors:计算隐藏层误差
        hidden_errors = np.dot(self.weight_2.T, output_errors)
        
        # update the weights:
        tmp = hidden_errors * output_hidden * (1.0 - output_hidden)
        self.weight_1 += self.learning_rate * np.dot(tmp, input_vector.T)
        
    #测试集
    def run(self, input_vector):
        # input_vector can be tuple, list or ndarray
        input_vector = np.array(input_vector, ndmin=2).T
        
        output_vector = np.dot(self.weight_1, input_vector)
        output_vector = activation_function(output_vector)
        
        output_vector = np.dot(self.weight_2, output_vector)
        output_vector = activation_function(output_vector)
    
        return output_vector
    #判别矩阵
    def confusion_matrix(self, data_array, labels):
        cm = np.zeros((10, 10), int)
        for i in range(len(data_array)):
            res = self.run(data_array[i])
            res_max = res.argmax()
            target = labels[i][0]
            cm[res_max, int(target)] += 1
        return cm    
     #精确度
    def precision(self, label, confusion_matrix):
        col = confusion_matrix[:, label]
        return confusion_matrix[label, label] / col.sum()
    #评估
    def evaluate(self, data, labels):
        corrects, wrongs = 0, 0
        for i in range(len(data)):
            res = self.run(data[i])
            res_max = res.argmax()
            if res_max == labels[i]:
                corrects += 1
            else:
                wrongs += 1
        return corrects, wrongs

【Python实战】——神经网络识别手写数字(二)+https://developer.aliyun.com/article/1506501

相关文章
|
16天前
|
存储 数据采集 人工智能
Python编程入门:从零基础到实战应用
本文是一篇面向初学者的Python编程教程,旨在帮助读者从零开始学习Python编程语言。文章首先介绍了Python的基本概念和特点,然后通过一个简单的例子展示了如何编写Python代码。接下来,文章详细介绍了Python的数据类型、变量、运算符、控制结构、函数等基本语法知识。最后,文章通过一个实战项目——制作一个简单的计算器程序,帮助读者巩固所学知识并提高编程技能。
|
17天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
【宠物识别系统】Python+卷积神经网络算法+深度学习+人工智能+TensorFlow+图像识别
宠物识别系统,本系统使用Python作为主要开发语言,基于TensorFlow搭建卷积神经网络算法,并收集了37种常见的猫狗宠物种类数据集【'阿比西尼亚猫(Abyssinian)', '孟加拉猫(Bengal)', '暹罗猫(Birman)', '孟买猫(Bombay)', '英国短毛猫(British Shorthair)', '埃及猫(Egyptian Mau)', '缅因猫(Maine Coon)', '波斯猫(Persian)', '布偶猫(Ragdoll)', '俄罗斯蓝猫(Russian Blue)', '暹罗猫(Siamese)', '斯芬克斯猫(Sphynx)', '美国斗牛犬
99 29
【宠物识别系统】Python+卷积神经网络算法+深度学习+人工智能+TensorFlow+图像识别
|
16天前
|
小程序 开发者 Python
探索Python编程:从基础到实战
本文将引导你走进Python编程的世界,从基础语法开始,逐步深入到实战项目。我们将一起探讨如何在编程中发挥创意,解决问题,并分享一些实用的技巧和心得。无论你是编程新手还是有一定经验的开发者,这篇文章都将为你提供有价值的参考。让我们一起开启Python编程的探索之旅吧!
41 10
|
17天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
深度学习入门:用Python构建你的第一个神经网络
在人工智能的海洋中,深度学习是那艘能够带你远航的船。本文将作为你的航标,引导你搭建第一个神经网络模型,让你领略深度学习的魅力。通过简单直观的语言和实例,我们将一起探索隐藏在数据背后的模式,体验从零开始创造智能系统的快感。准备好了吗?让我们启航吧!
43 3
|
18天前
|
存储 安全 网络安全
网络安全的盾与剑:漏洞防御与加密技术的实战应用
在数字化浪潮中,网络安全成为保护信息资产的重中之重。本文将深入探讨网络安全的两个关键领域——安全漏洞的防御策略和加密技术的应用,通过具体案例分析常见的安全威胁,并提供实用的防护措施。同时,我们将展示如何利用Python编程语言实现简单的加密算法,增强读者的安全意识和技术能力。文章旨在为非专业读者提供一扇了解网络安全复杂世界的窗口,以及为专业人士提供可立即投入使用的技术参考。
|
21天前
|
存储 缓存 监控
Docker容器性能调优的关键技巧,涵盖CPU、内存、网络及磁盘I/O的优化策略,结合实战案例,旨在帮助读者有效提升Docker容器的性能与稳定性。
本文介绍了Docker容器性能调优的关键技巧,涵盖CPU、内存、网络及磁盘I/O的优化策略,结合实战案例,旨在帮助读者有效提升Docker容器的性能与稳定性。
54 7
|
25天前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 语音技术
Python在深度学习领域的应用,重点讲解了神经网络的基础概念、基本结构、训练过程及优化技巧
本文介绍了Python在深度学习领域的应用,重点讲解了神经网络的基础概念、基本结构、训练过程及优化技巧,并通过TensorFlow和PyTorch等库展示了实现神经网络的具体示例,涵盖图像识别、语音识别等多个应用场景。
48 8
|
28天前
|
算法 Unix 数据库
Python编程入门:从基础到实战
本篇文章将带你进入Python编程的奇妙世界。我们将从最基础的概念开始,逐步深入,最后通过一个实际的项目案例,让你真正体验到Python编程的乐趣和实用性。无论你是编程新手,还是有一定基础的开发者,这篇文章都将为你提供有价值的信息和知识。让我们一起探索Python的世界吧!
|
1月前
|
数据处理 Python
探索Python中的异步编程:从基础到实战
在Python的世界中,“速度”不仅是赛车手的追求。本文将带你领略Python异步编程的魅力,从原理到实践,我们不单单是看代码,更通过实例感受它的威力。你将学会如何用更少的服务器资源做更多的事,就像是在厨房里同时烹饪多道菜而不让任何一道烧焦。准备好了吗?让我们开始这场技术烹饪之旅。
|
6天前
|
SQL 安全 网络安全
网络安全与信息安全:知识分享####
【10月更文挑战第21天】 随着数字化时代的快速发展,网络安全和信息安全已成为个人和企业不可忽视的关键问题。本文将探讨网络安全漏洞、加密技术以及安全意识的重要性,并提供一些实用的建议,帮助读者提高自身的网络安全防护能力。 ####
42 17
下一篇
DataWorks