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2020人工神经网络第一次作业-参考答案第三部分

部分 2020 作业 第三 第一次 参考答案 人工神经网络
2023-09-11 14:15:21 时间

本文是 2020人工神经网络第一次作业 的参考答案第三部分
 

03 第三题参考答案


1.构造BP网络进行函数逼近

(1) 逼近简单函数

构建单隐层的神经网络,隐层节点个数20,传递函数为sigmoid函数,输出神经元的传递函数为线性函数。

▲ 神经网络结构

▲ 神经网络结构

直接在(0 ~ 1)之间均匀采样50个样本,使用最基本的BP算法训练上述网络。

▲ 逼近函数

▲ 逼近函数

随着训练次数的增加,网络的输入输出关系变化如下:
▲ 训练过程中网络对应函数的变化

▲ 训练过程中网络对应函数的变化

下面是网络误差收敛曲线:
▲ 网络误差收敛曲线

▲ 网络误差收敛曲线

(2) 将数据进行预处理

  • 将输入x转换到(-0.5, 0.5)之间
  • 将网络输出转换到(-0.8,0.8)之间
    ▲ 网络训练过程对应函数变化
    ▲ 网络训练过程对应函数变化

▲ 网络训练误差收敛曲线

▲ 网络训练误差收敛曲线

可以看到对于数据进行预处理之后,将样本的输入、输出都转换到关于0对称,网络收敛的速度和精度都得到了提高。

(3) 修改网络隐层传递函数

将网络隐层传递函数修改为双曲正切函数。修改学习速率 η = 0.25 \eta = 0.25 η=0.25。可以看到网络收敛速度又再一次增加了。
▲ 随着训练网络输入输出之间的关系

▲ 随着训练网络输入输出之间的关系

▲ 网络训练误差收敛曲线

▲ 网络训练误差收敛曲线

(4) 训练四个周期的函数

学习速率 η = 0.5 \eta = 0.5 η=0.5
▲ 逼近函数

▲ 逼近函数

▲ 函数逼近效果

▲ 函数逼近效果

▲ 网络训练误差收敛曲线

▲ 网络训练误差收敛曲线

(5) 训练六个周期的函数

使用隐层节点为20的神经网络,逼近六个周期的sin函数,单层网络训练不收敛。
▲ 逼近六个周期的函数

▲ 逼近六个周期的函数

随着训练过程增加,网络的输入输出函数稳定在一个中间值的状态。

▲ 网络输入输出函数变化情况

▲ 网络输入输出函数变化情况

▲ 网络误差收敛曲线

▲ 网络误差收敛曲线

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# HW13BP.PY                    -- by Dr. ZhuoQing 2020-11-17
#
# Note:
#============================================================

from headm import *

#------------------------------------------------------------
# Samples data construction

x_data = linspace(-0.5, 0.5, 50).reshape(-1, 1)
y_data = (sin(x_data*6*pi)*0.8).reshape(1,-1)

#------------------------------------------------------------

xx = linspace(-0.5,0.5, 500)
yy = sin(xx*6*pi) * 0.8
plt.plot(xx, yy, label='sin(2pix)')
plt.scatter(x_data.reshape(-1,1), y_data.reshape(-1,1), color='r')
plt.xlabel("x")
plt.ylabel("f(x)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

#------------------------------------------------------------
def shuffledata(X, Y):
    id = list(range(X.shape[0]))
    random.shuffle(id)
    return X[id], (Y.T[id]).T

#------------------------------------------------------------
# Define and initialization NN
def initialize_parameters(n_x, n_h, n_y):
    random.seed(2)

    W1 = random.randn(n_h, n_x) * 0.5          # dot(W1,X.T)
    W2 = random.randn(n_y, n_h) * 0.5          # dot(W2,Z1)
    b1 = zeros((n_h, 1))                       # Column vector
    b2 = zeros((n_y, 1))                       # Column vector

    parameters = {'W1':W1,
                  'b1':b1,
                  'W2':W2,
                  'b2':b2}

    return parameters

#------------------------------------------------------------
# Forward propagattion
# X:row->sample;
# Z2:col->sample
def forward_propagate(X, parameters):
    W1 = parameters['W1']
    b1 = parameters['b1']
    W2 = parameters['W2']
    b2 = parameters['b2']

    Z1 = dot(W1, X.T) + b1                    # X:row-->sample; Z1:col-->sample
#    A1 = 1/(1+exp(-Z1))
    A1 = (1-exp(-Z1))/(1+exp(-Z1))

    Z2 = dot(W2, A1) + b2                     # Z2:col-->sample
#    A2 = 1/(1+exp(-Z2))                       # A:col-->sample
    A2 = Z2                                   # Linear output

    cache = {'Z1':Z1,
             'A1':A1,
             'Z2':Z2,
             'A2':A2}
    return Z2, cache

#------------------------------------------------------------
# Calculate the cost
# A2,Y: col->sample
def calculate_cost(A2, Y, parameters):
    err = [x1-x2 for x1,x2 in zip(A2.T, Y.T)]
    cost = [dot(e,e) for e in err]
    return mean(cost)

#------------------------------------------------------------
# Backward propagattion
def backward_propagate(parameters, cache, X, Y):
    m = X.shape[0]                  # Number of the samples

    W1 = parameters['W1']
    W2 = parameters['W2']
    A1 = cache['A1']
    A2 = cache['A2']

    dZ2 = (A2 - Y) #* (A2 * (1-A2))
    dW2 = dot(dZ2, A1.T) / m
    db2 = sum(dZ2, axis=1, keepdims=True) / m

#    dZ1 = dot(W2.T, dZ2) * (A1 * (1-A1))
    dZ1 = dot(W2.T, dZ2) * (1-A1**2)
    dW1 = dot(dZ1, X) / m
    db1 = sum(dZ1, axis=1, keepdims=True) / m

    grads = {'dW1':dW1,
             'db1':db1,
             'dW2':dW2,
             'db2':db2}

    return grads

#------------------------------------------------------------
# Update the parameters
def update_parameters(parameters, grads, learning_rate):
    W1 = parameters['W1']
    b1 = parameters['b1']
    W2 = parameters['W2']
    b2 = parameters['b2']

    dW1 = grads['dW1']
    db1 = grads['db1']
    dW2 = grads['dW2']
    db2 = grads['db2']

    W1 = W1 - learning_rate * dW1
    W2 = W2 - learning_rate * dW2
    b1 = b1 - learning_rate * db1
    b2 = b2 - learning_rate * db2

    parameters = {'W1':W1,
                  'b1':b1,
                  'W2':W2,
                  'b2':b2}

    return parameters

#------------------------------------------------------------
# Define the training
DISP_STEP           = 2000

#------------------------------------------------------------
pltgif = PlotGIF()

#------------------------------------------------------------
def train(X, Y, num_iterations, learning_rate, print_cost=False):
#    random.seed(3)

    n_x = 1
    n_y = 1
    n_h = 20

    lr = learning_rate

    parameters = initialize_parameters(n_x, n_h, n_y)
    XX,YY = shuffledata(X, Y)

    costdim = []
    x = linspace(-0.5, 0.5, 250).reshape(-1,1)

    for i in range(0, num_iterations):
        A2, cache = forward_propagate(XX, parameters)
        cost = calculate_cost(A2, YY, parameters)
        grads = backward_propagate(parameters, cache, XX, YY)
        parameters = update_parameters(parameters, grads, lr)

        if print_cost and i % DISP_STEP == 0:
            printf('Cost after iteration:%i: %f'%(i, cost))
            costdim.append(cost)

            plt.clf()
            y,cache = forward_propagate(x, parameters)
            plt.plot(x.reshape(-1,1), y.reshape(-1,1))
            plt.xlabel("x")
            plt.ylabel("f(x)")
            plt.grid(True)
            plt.tight_layout()
            plt.draw()
            plt.pause(.1)
            pltgif.append(plt)

            if cost < 0.0001:
                break

            XX,YY = shuffledata(X, Y)

    return parameters, costdim

#------------------------------------------------------------
parameter,costdim = train(x_data, y_data, 200000, 0.5, True)
pltgif.save(r'd:\temp\1.gif')

#------------------------------------------------------------
plt.clf()
plt.plot(arange(len(costdim))*DISP_STEP, costdim)
plt.xlabel("Step(10)")
plt.ylabel("Cost")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : HW13BP.PY
#============================================================

2.将BP网络隐层传递函数修改成ReLU

将上述神经网络中间隐层的传递函数修改成ReLU函数。

修改程序部分:
对于 forward_propagate()中,A1的取值过程为:

A1 = Z1
A1[A1< 0]=0

对于backward_propaget()部分:

A11 = A1
A11[A11>0] = 1
A11[A11<0] = 0
dZ1 = dot(W2.T, dZ2) * A11

▲ 网络输入输出函数关系演变过程

▲ 网络输入输出函数关系演变过程

▲ 逼近单个sin函数式,网络训练误差变化曲线

▲ 逼近单个sin函数式,网络训练误差变化曲线

从前面的逼近结果来看,使用ReLU函数,在相同的隐层节点的情况下,函数误差偏大。

为了改善函数逼近的效果,将神经网络中间的神经元增加到50个,此时函数比较的效果如下:
▲ 隐层节点个数为50个时网络收敛情况

▲ 隐层节点个数为50个时网络收敛情况

▲ 网络误差收敛情况

▲ 网络误差收敛情况

下面是处逼近四个周期的sin函数的过程。

▲ 逼近四个周期sin函数的过程

▲ 逼近四个周期sin函数的过程

▲ 网络训练误差收敛情况

▲ 网络训练误差收敛情况

下面是逼近六个周期sin函数的网络收敛过程。
▲ 逼近六个周期sin信号网络输入输出关系变化情况

▲ 逼近六个周期sin信号网络输入输出关系变化情况

▲ 逼近六个周期sin函数的网络误差收敛情况

▲ 逼近六个周期sin函数的网络误差收敛情况

下面将神经网络中的隐层节点的个数提高到100个,训练样本的个数增加到250个。仍然使用传递函数ReLU 来逼近六个周期的sin函数。函数的收敛情况如下:

下面是网络输入输出之间的函数随着训练次数的增加出现的变化:

▲ 网络输入输出之间的函数关系的变化情况

▲ 网络输入输出之间的函数关系的变化情况

下面是网络训练误差随着训练次数瘦脸的情况:
▲ 逼近六个周期sin网络误差变化

▲ 逼近六个周期sin网络误差变化

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# HW13BPRELU.PY                    -- by Dr. ZhuoQing 2020-11-17
#
# Note:
#============================================================

from headm import *

#------------------------------------------------------------
# Samples data construction

x_data = linspace(-0.5, 0.5, 250).reshape(-1, 1)
y_data = (sin(x_data*4*pi)*0.8).reshape(1,-1)

#------------------------------------------------------------
'''
xx = linspace(-0.5,0.5, 500)
yy = sin(xx*6*pi) * 0.8
plt.plot(xx, yy, label='sin(2pix)')
plt.scatter(x_data.reshape(-1,1), y_data.reshape(-1,1), color='r')
plt.xlabel("x")
plt.ylabel("f(x)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

'''
#------------------------------------------------------------
def shuffledata(X, Y):
    id = list(range(X.shape[0]))
    random.shuffle(id)
    return X[id], (Y.T[id]).T

#------------------------------------------------------------
# Define and initialization NN
def initialize_parameters(n_x, n_h, n_y):
    random.seed(2)

    W1 = random.randn(n_h, n_x) * 0.5          # dot(W1,X.T)
    W2 = random.randn(n_y, n_h) * 0.5          # dot(W2,Z1)
    b1 = zeros((n_h, 1))                       # Column vector
    b2 = zeros((n_y, 1))                       # Column vector

    parameters = {'W1':W1,
                  'b1':b1,
                  'W2':W2,
                  'b2':b2}

    return parameters

#------------------------------------------------------------
# Forward propagattion
# X:row->sample;
# Z2:col->sample
def forward_propagate(X, parameters):
    W1 = parameters['W1']
    b1 = parameters['b1']
    W2 = parameters['W2']
    b2 = parameters['b2']

    Z1 = dot(W1, X.T) + b1                    # X:row-->sample; Z1:col-->sample
#    A1 = 1/(1+exp(-Z1))
#    A1 = (1-exp(-Z1))/(1+exp(-Z1))
#    A1 = array([[x if x > 0 else 0 for x in l] for l in Z1])
    A1 = Z1
    A1[A1< 0]=0

    Z2 = dot(W2, A1) + b2                     # Z2:col-->sample
#    A2 = 1/(1+exp(-Z2))                       # A:col-->sample
    A2 = Z2                                   # Linear output

    cache = {'Z1':Z1,
             'A1':A1,
             'Z2':Z2,
             'A2':A2}
    return Z2, cache

#------------------------------------------------------------
# Calculate the cost
# A2,Y: col->sample
def calculate_cost(A2, Y, parameters):
    err = [x1-x2 for x1,x2 in zip(A2.T, Y.T)]
    cost = [dot(e,e) for e in err]
    return mean(cost)

#------------------------------------------------------------
# Backward propagattion
def backward_propagate(parameters, cache, X, Y):
    m = X.shape[0]                  # Number of the samples

    W1 = parameters['W1']
    W2 = parameters['W2']
    A1 = cache['A1']
    A2 = cache['A2']

    dZ2 = (A2 - Y) #* (A2 * (1-A2))
    dW2 = dot(dZ2, A1.T) / m
    db2 = sum(dZ2, axis=1, keepdims=True) / m

#    dZ1 = dot(W2.T, dZ2) * (A1 * (1-A1))
#    dZ1 = dot(W2.T, dZ2) * (1-A1**2)

#    A11 = array([[1 if x >= 0 else 0 for x in l] for l in A1])
    A11 = A1
    A11[A11>0] = 1
    A11[A11<0] = 0
    dZ1 = dot(W2.T, dZ2) * A11

    dW1 = dot(dZ1, X) / m
    db1 = sum(dZ1, axis=1, keepdims=True) / m

    grads = {'dW1':dW1,
             'db1':db1,
             'dW2':dW2,
             'db2':db2}

    return grads

#------------------------------------------------------------
# Update the parameters
def update_parameters(parameters, grads, learning_rate):
    W1 = parameters['W1']
    b1 = parameters['b1']
    W2 = parameters['W2']
    b2 = parameters['b2']

    dW1 = grads['dW1']
    db1 = grads['db1']
    dW2 = grads['dW2']
    db2 = grads['db2']

    W1 = W1 - learning_rate * dW1
    W2 = W2 - learning_rate * dW2
    b1 = b1 - learning_rate * db1
    b2 = b2 - learning_rate * db2

    parameters = {'W1':W1,
                  'b1':b1,
                  'W2':W2,
                  'b2':b2}

    return parameters

#------------------------------------------------------------
# Define the training
DISP_STEP           = 1000

#------------------------------------------------------------
pltgif = PlotGIF()

#------------------------------------------------------------
def train(X, Y, num_iterations, learning_rate, print_cost=False):
#    random.seed(3)

    n_x = 1
    n_y = 1
    n_h = 50

    lr = learning_rate

    parameters = initialize_parameters(n_x, n_h, n_y)
    XX,YY = shuffledata(X, Y)

    costdim = []
    x = linspace(-0.5, 0.5, 250).reshape(-1,1)

    for i in range(0, num_iterations):
        A2, cache = forward_propagate(XX, parameters)
        cost = calculate_cost(A2, YY, parameters)
        grads = backward_propagate(parameters, cache, XX, YY)
        parameters = update_parameters(parameters, grads, lr)

        if print_cost and i % DISP_STEP == 0:
            printf('Cost after iteration:%i: %f'%(i, cost))
            costdim.append(cost)

            plt.clf()
            y,cache = forward_propagate(x, parameters)
            plt.plot(x.reshape(-1,1), y.reshape(-1,1))
            plt.xlabel("x")
            plt.ylabel("f(x)")
            plt.grid(True)
            plt.tight_layout()
            plt.draw()
            plt.pause(.1)
            pltgif.append(plt)

            if cost < 0.0001:
                break

            XX,YY = shuffledata(X, Y)

    return parameters, costdim

#------------------------------------------------------------
parameter,costdim = train(x_data, y_data, 100000, 0.5, True)
pltgif.save(r'd:\temp\1.gif')

#------------------------------------------------------------
plt.clf()
plt.plot(arange(len(costdim))*DISP_STEP, costdim)
plt.xlabel("Step(10)")
plt.ylabel("Cost")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : HW13BPRELU.PY
#============================================================