《神经网络和深度学习》之神经网络基础(第二周)课后作业——一个隐藏层的平面数据分类
2018-02-13 00:08
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欢迎来到第三周的课程,在这一周的任务里,你将建立一个只有一个隐含层的神经网络。相比于之前你实现的逻辑回归有很大的不同。
你将会学习一下内容:
用一个隐含层的神经网络实现一个二分类。
利用非线性的激活函数单元。
计算交叉熵损失函数。
实现向前传播和向后传播。
能将得到
1. 一个包含(x1,x2)的特征矩阵。
2. 一个包含(0,1)的特征向量。
练习:你有多少训练集,他们的大小是多少?
输出:
The shape of X is: (2L, 400L)
The shape of Y is: (1L, 400L)
I have m = 400 training examples!
输出:
说明:因为数据集是非线性可分的,所以,在这个数据集上表现较差。
回忆:通常神经网络建立的方法。
定义神经网络的结构(输入层,输出层,隐含层个数)。
初始化模型参数。
循环:
—实现向前传播。
—计算损失函数。
—为了得到梯度值,实现向后传播。
—更新参数(梯度下降)
说明:
用 np.random.randn(a,b) * 0.01随机的初始化权重矩阵
用np.zeros((a,b))初始化偏置向量
输出:
W1 = [[-0.00416758 -0.00056267]
[-0.02136196 0.01640271]
[-0.01793436 -0.00841747]
[ 0.00502881 -0.01245288]]
b1 = [[ 0.]
[ 0.]
[ 0.]
[ 0.]]
W2 = [[-0.01057952 -0.00909008 0.00551454 0.02292208]]
b2 = [[ 0.]]
从字典“parameters”中检索每个参数。
实现向前传播。计算Z1,A1,Z2,A2(这是所有你对训练集的所有例子的预测的向量)。
反向传播所需的值存储在“cache”中。cache将作为反向传播函数的一个输入。
输出:
(-0.00049975577774199022, -0.00049696335323177901, 0.00043818745095914653, 0.50010954685243103)
计算出A2后,你将计算损失函数
练习:实现 compute_cost(),计算损失函数
输出:cost = 0.692919893776
问题:实现反向传播函数 backward_propagation()
其中, tanh激活函数的导数为
输出:
dW1 = [[ 0.01018708 -0.00708701]
[ 0.00873447 -0.0060768 ]
[-0.00530847 0.00369379]
[-0.02206365 0.01535126]]
db1 = [[-0.00069728]
[-0.00060606]
[ 0.000364 ]
[ 0.00151207]]
dW2 = [[ 0.00363613 0.03153604 0.01162914 -0.01318316]]
db2 = [[ 0.06589489]]
问题:利用地图下降,实现更新法则。你可以利用 (dW1, db1, dW2, db2) 去更新 (W1, b1, W2, b2).
通常的梯度下降准则:
说明:梯度下降和学习速率关系很大。
输出:
W1 = [[-0.00643025 0.01936718]
[-0.02410458 0.03978052]
[-0.01653973 -0.02096177]
[ 0.01046864 -0.05990141]]
b1 = [[ -1.02420756e-06]
[ 1.27373948e-05]
[ 8.32996807e-07]
[ -3.20136836e-06]]
W2 = [[-0.01041081 -0.04463285 0.01758031 0.04747113]]
b2 = [[ 0.00010457]]
输出:
W1 = [[-4.18494502 5.33220306]
[-7.52989352 1.24306198]
[-4.19295477 5.32631754]
[ 7.52983748 -1.24309404]]
b1 = [[ 2.32926814]
[ 3.79459053]
[ 2.3300254 ]
[-3.79468789]]
W2 = [[-6033.83672183 -6008.12981297 -6033.10095335 6008.0663689 ]]
b2 = [[-52.666077]]
输出:predictions mean = 0.666666666667
输出:Accuracy: 90%
说明:
较大的模型(包含更多的隐藏单元)能够更好地适应训练集,直到最终最大的模型超过了数据。
最好的隐藏层大小似乎是在nh=5附近。实际上,这里的价值似乎与数据吻合得很好,而不需要引起注意的过度拟合。
稍后您还将学习规范化,这使您可以使用非常大的模型(例如nh=50),而不需要太多的过度使用。
你将会学习一下内容:
用一个隐含层的神经网络实现一个二分类。
利用非线性的激活函数单元。
计算交叉熵损失函数。
实现向前传播和向后传播。
1 函数包
# Package imports 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 np.random.seed(1) # set a seed so that the results are consistent
2 数据
X, Y = load_planar_dataset() # Visualize the data: plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=Y, s=40, cmap=plt.cm.Spectral);
能将得到
1. 一个包含(x1,x2)的特征矩阵。
2. 一个包含(0,1)的特征向量。
练习:你有多少训练集,他们的大小是多少?
### START CODE HERE ### (≈ 3 lines of code) shape_X = X.shape shape_Y = Y.shape m = shape_X[1] # training set size ### END CODE HERE ### print ('The shape of X is: ' + str(shape_X)) print ('The shape of Y is: ' + str(shape_Y)) print ('I have m = %d training examples!' % (m))
输出:
The shape of X is: (2L, 400L)
The shape of Y is: (1L, 400L)
I have m = 400 training examples!
3 简单的逻辑回归
在进行今天的作业之前,先看一下,逻辑回归在这个问题上的表现。# Train the logistic regression classifier clf = sklearn.linear_model.LogisticRegressionCV(); clf.fit(X.T, Y.T); # Plot the decision boundary for logistic regression plot_decision_boundary(lambda x: clf.predict(x), X, Y) plt.title("Logistic Regression") # Print accuracy LR_predictions = clf.predict(X.T) print ('Accuracy of logistic regression: %d ' % float((np.dot(Y,LR_predictions) + np.dot(1-Y,1-LR_predictions))/float(Y.size)*100) + '% ' + "(percentage of correctly labelled datapoints)")
输出:
说明:因为数据集是非线性可分的,所以,在这个数据集上表现较差。
4 神经网络模型
回忆:通常神经网络建立的方法。
定义神经网络的结构(输入层,输出层,隐含层个数)。
初始化模型参数。
循环:
—实现向前传播。
—计算损失函数。
—为了得到梯度值,实现向后传播。
—更新参数(梯度下降)
4.1 定义神经网络结构
练习:定义三个结构变量# GRADED FUNCTION: layer_sizes def layer_sizes(X, Y): """ Arguments: X -- input dataset of shape (input size, number of examples) Y -- labels of shape (output size, number of examples) Returns: n_x -- the size of the input layer n_h -- the size of the hidden layer n_y -- the size of the output layer """ ### START CODE HERE ### (≈ 3 lines of code) n_x = X.shape[0] # size of input layer n_h = 4 n_y = Y.shape[0] # size of output layer ### END CODE HERE ### return (n_x, n_h, n_y)
4.2 初始化模型参数
练习:实现initialize_parameters()函数功能说明:
用 np.random.randn(a,b) * 0.01随机的初始化权重矩阵
用np.zeros((a,b))初始化偏置向量
# GRADED FUNCTION: initialize_parameters def initialize_parameters(n_x, n_h, n_y): """ Argument: n_x -- size of the input layer n_h -- size of the hidden layer n_y -- size of the output layer Returns: params -- python dictionary containing your parameters: W1 -- weight matrix of shape (n_h, n_x) b1 -- bias vector of shape (n_h, 1) W2 -- weight matrix of shape (n_y, n_h) b2 -- bias vector of shape (n_y, 1) """ np.random.seed(2) # we set up a seed so that your output matches ours although the initialization is random. ### START CODE HERE ### (≈ 4 lines of code) W1 = np.random.randn(n_h,n_x) * 0.01 b1 = np.zeros((n_h,1)) W2 = np.random.randn(n_y,n_h) * 0.01 b2 = np.zeros((n_y,1)) ### END CODE HERE ### 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
输出:
W1 = [[-0.00416758 -0.00056267]
[-0.02136196 0.01640271]
[-0.01793436 -0.00841747]
[ 0.00502881 -0.01245288]]
b1 = [[ 0.]
[ 0.]
[ 0.]
[ 0.]]
W2 = [[-0.01057952 -0.00909008 0.00551454 0.02292208]]
b2 = [[ 0.]]
4.3循环
问题:实现 forward_propagation().从字典“parameters”中检索每个参数。
实现向前传播。计算Z1,A1,Z2,A2(这是所有你对训练集的所有例子的预测的向量)。
反向传播所需的值存储在“cache”中。cache将作为反向传播函数的一个输入。
# GRADED FUNCTION: forward_propagation def forward_propagation(X, parameters): """ Argument: X -- input data of size (n_x, m) parameters -- python dictionary containing your parameters (output of initialization function) Returns: A2 -- The sigmoid output of the second activation cache -- a dictionary containing "Z1", "A1", "Z2" and "A2" """ # Retrieve each parameter from the dictionary "parameters" ### START CODE HERE ### (≈ 4 lines of code) W1 = parameters["W1"] b1 = parameters["b1"] W2 = parameters["W2"] b2 = parameters["b2"] ### END CODE HERE ### # Implement Forward Propagation to calculate A2 (probabilities) ### START CODE HERE ### (≈ 4 lines of code) Z1 = np.dot(W1,X) + b1 A1 = np.tanh(Z1) Z2 = np.dot(W2,A1) + b2 A2 = sigmoid(Z2) ### END CODE HERE ### assert(A2.shape == (1, X.shape[1])) cache = {"Z1": Z1, "A1": A1, "Z2": Z2, "A2": A2} return A2, cache
输出:
(-0.00049975577774199022, -0.00049696335323177901, 0.00043818745095914653, 0.50010954685243103)
计算出A2后,你将计算损失函数
练习:实现 compute_cost(),计算损失函数
# GRADED FUNCTION: compute_cost def compute_cost(A2, Y, parameters): """ Computes the cross-entropy cost given in equation (13) Arguments: A2 -- The sigmoid output of the second activation, of shape (1, number of examples) Y -- "true" labels vector of shape (1, number of examples) parameters -- python dictionary containing your parameters W1, b1, W2 and b2 Returns: cost -- cross-entropy cost given equation (13) """ m = Y.shape[1] # number of example # Compute the cross-entropy cost ### START CODE HERE ### (≈ 2 lines of code) logprobs = np.multiply(np.log(A2),Y) + np.multiply(np.log(1 - A2),1 - Y) cost = - np.sum(logprobs) / m ### END CODE HERE ### cost = np.squeeze(cost) # makes sure cost is the dimension we expect. # E.g., turns [[17]] into 17 assert(isinstance(cost, float)) return cost
输出:cost = 0.692919893776
问题:实现反向传播函数 backward_propagation()
其中, tanh激活函数的导数为
# GRADED FUNCTION: backward_propagation def backward_propagation(parameters, cache, X, Y): """ Implement the backward propagation using the instructions above. Arguments: parameters -- python dictionary containing our parameters cache -- a dictionary containing "Z1", "A1", "Z2" and "A2". X -- input data of shape (2, number of examples) Y -- "true" labels vector of shape (1, number of examples) Returns: grads -- python dictionary containing your gradients with respect to different parameters """ m = X.shape[1] # First, retrieve W1 and W2 from the dictionary "parameters". ### START CODE HERE ### (≈ 2 lines of code) W1 = parameters["W1"] W2 = parameters["W2"] ### END CODE HERE ### # Retrieve also A1 and A2 from dictionary "cache". ### START CODE HERE ### (≈ 2 lines of code) A1 = cache["A1"] A2 = cache["A2"] ### END CODE HERE ### # Backward propagation: calculate dW1, db1, dW2, db2. ### START CODE HERE ### (≈ 6 lines of code, corresponding to 6 equations on slide above) dZ2 = A2 - Y dW2 = np.dot(dZ2,A1.T)/m db2 = np.sum(dZ2,axis=1,keepdims=True)/m dZ1 = np.multiply(np.dot(W2.T,dZ2), (1 - np.power(A1, 2))) dW1 = np.dot(dZ1,X.T)/m db1 = np.sum(dZ1,axis=1,keepdims=True)/m ### END CODE HERE ### grads = {"dW1": dW1, "db1": db1, "dW2": dW2, "db2": db2} return grads
输出:
dW1 = [[ 0.01018708 -0.00708701]
[ 0.00873447 -0.0060768 ]
[-0.00530847 0.00369379]
[-0.02206365 0.01535126]]
db1 = [[-0.00069728]
[-0.00060606]
[ 0.000364 ]
[ 0.00151207]]
dW2 = [[ 0.00363613 0.03153604 0.01162914 -0.01318316]]
db2 = [[ 0.06589489]]
问题:利用地图下降,实现更新法则。你可以利用 (dW1, db1, dW2, db2) 去更新 (W1, b1, W2, b2).
通常的梯度下降准则:
说明:梯度下降和学习速率关系很大。
# GRADED FUNCTION: update_parameters def update_parameters(parameters, grads, learning_rate = 1.2): """ Updates parameters using the gradient descent update rule given above Arguments: parameters -- python dictionary containing your parameters grads -- python dictionary containing your gradients Returns: parameters -- python dictionary containing your updated parameters """ # Retrieve each parameter from the dictionary "parameters" ### START CODE HERE ### (≈ 4 lines of code) W1 = parameters["W1"] b1 = parameters["b1"] W2 = parameters["W2"] b2 = parameters["b2"] ### END CODE HERE ### # Retrieve each gradient from the dictionary "grads" ### START CODE HERE ### (≈ 4 lines of code) dW1 = grads["dW1"] db1 = grads["db1"] dW2 = grads["dW2"] db2 = grads["db2"] ## END CODE HERE ### # Update rule for each parameter ### START CODE HERE ### (≈ 4 lines of code) W1 = W1 - learning_rate * dW1 b1 = b1 - learning_rate * db1 W2 = W2 - learning_rate * dW2 b2 = b2 - learning_rate * db2 ### END CODE HERE ### parameters = {"W1": W1, "b1": b1, "W2": W2, "b2": b2} return parameters
输出:
W1 = [[-0.00643025 0.01936718]
[-0.02410458 0.03978052]
[-0.01653973 -0.02096177]
[ 0.01046864 -0.05990141]]
b1 = [[ -1.02420756e-06]
[ 1.27373948e-05]
[ 8.32996807e-07]
[ -3.20136836e-06]]
W2 = [[-0.01041081 -0.04463285 0.01758031 0.04747113]]
b2 = [[ 0.00010457]]
4.4 综合前面三部分 nn_model()
问题:建立神经学习网络# GRADED FUNCTION: nn_model def nn_model(X, Y, n_h, num_iterations = 10000, print_cost=False): """ Arguments: X -- dataset of shape (2, number of examples) Y -- labels of shape (1, number of examples) n_h -- size of the hidden layer num_iterations -- Number of iterations in gradient descent loop print_cost -- if True, print the cost every 1000 iterations Returns: parameters -- parameters learnt by the model. They can then be used to predict. """ np.random.seed(3) n_x = layer_sizes(X, Y)[0] n_y = layer_sizes(X, Y)[2] # Initialize parameters, then retrieve W1, b1, W2, b2. Inputs: "n_x, n_h, n_y". Outputs = "W1, b1, W2, b2, parameters". ### START CODE HERE ### (≈ 5 lines of code) parameters = initialize_parameters(n_x, n_h, n_y) W1 = parameters["W1"] b1 = parameters["b1"] W2 = parameters["W2"] b2 = parameters["b2"] ### END CODE HERE ### # Loop (gradient descent) for i in range(0, num_iterations): ### START CODE HERE ### (≈ 4 lines of code) # Forward propagation. Inputs: "X, parameters". Outputs: "A2, cache". A2, cache = forward_propagation(X, parameters) # Cost function. Inputs: "A2, Y, parameters". Outputs: "cost". cost = compute_cost(A2, Y, parameters) # Backpropagation. Inputs: "parameters, cache, X, Y". Outputs: "grads". grads = backward_propagation(parameters, cache, X, Y) # Gradient descent parameter update. Inputs: "parameters, grads". Outputs: "parameters". parameters = update_parameters(parameters, grads ,) ### END CODE HERE ### # Print the cost every 1000 iterations if print_cost and i % 1000 == 0: print ("Cost after iteration %i: %f" %(i, cost)) return parameters
输出:
W1 = [[-4.18494502 5.33220306]
[-7.52989352 1.24306198]
[-4.19295477 5.32631754]
[ 7.52983748 -1.24309404]]
b1 = [[ 2.32926814]
[ 3.79459053]
[ 2.3300254 ]
[-3.79468789]]
W2 = [[-6033.83672183 -6008.12981297 -6033.10095335 6008.0663689 ]]
b2 = [[-52.666077]]
4.5 预测
问题:通过建立函数 predict()进行预测。利用向前传播进行预测。# GRADED FUNCTION: predict def predict(parameters, X): """ Using the learned parameters, predicts a class for each example in X Arguments: parameters -- python dictionary containing your parameters X -- input data of size (n_x, m) Returns predictions -- vector of predictions of our model (red: 0 / blue: 1) """ # Computes probabilities using forward propagation, and classifies to 0/1 using 0.5 as the threshold. ### START CODE HERE ### (≈ 2 lines of code) A2, cache = forward_propagation(X, parameters) predictions = np.round(A2) ### END CODE HERE ### return predictions
输出:predictions mean = 0.666666666667
4.6预测原数据
# Build a model with a n_h-dimensional hidden layer parameters = nn_model(X, Y, n_h = 4, num_iterations = 10000, print_cost=True) # Plot the decision boundary plot_decision_boundary(lambda x: predict(parameters, x.T), X, Y) plt.title("Decision Boundary for hidden layer size " + str(4))
# Print accuracy predictions = predict(parameters, X) print ('Accuracy: %d' % float((np.dot(Y,predictions.T) + np.dot(1-Y,1-predictions.T))/float(Y.size)*100) + '%')
输出:Accuracy: 90%
4.7 改变隐含层的大小
# This may take about 2 minutes to run plt.figure(figsize=(16, 32)) hidden_layer_sizes = [1, 2, 3, 4, 5, 10, 20] 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, Y) predictions = predict(parameters, X) accuracy = float((np.dot(Y,predictions.T) + np.dot(1-Y,1-predictions.T))/float(Y.size)*100) print ("Accuracy for {} hidden units: {} %".format(n_h, accuracy))
说明:
较大的模型(包含更多的隐藏单元)能够更好地适应训练集,直到最终最大的模型超过了数据。
最好的隐藏层大小似乎是在nh=5附近。实际上,这里的价值似乎与数据吻合得很好,而不需要引起注意的过度拟合。
稍后您还将学习规范化,这使您可以使用非常大的模型(例如nh=50),而不需要太多的过度使用。
5 在其他数据集上的表现
# Datasets
noisy_circles, noisy_moons, blobs, gaussian_quantiles, no_structure = load_extra_datasets()
datasets = {"noisy_circles": noisy_circles,
"noisy_moons": noisy_moons,
"blobs": blobs,
"gaussian_quantiles": gaussian_quantiles}
### START CODE HERE ### (choose your dataset)
dataset = "blobs"
### END CODE HERE ###
X, Y = datasets[dataset]
X, Y = X.T, Y.reshape(1, Y.shape[0])
# make blobs binary
if dataset == "blobs":
Y = Y%2
# Visualize the data
plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=Y, s=40, cmap=plt.cm.Spectral);
# Build a model with a n_h-dimensional hidden layer parameters = nn_model(X, Y, n_h = 4, num_iterations = 10000, print_cost=True) # Plot the decision boundary plot_decision_boundary(lambda x: predict(parameters, x.T), X, Y) plt.title("Decision Boundary for hidden layer size " + str(4))
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