机器学习多分类逻辑回归和二分类神经网络实践
1、2-17 实现多分类逻辑回归
代码
# 2-17 实现多分类逻辑回归 import pandas as pd import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt# 参数设置 iterations = 5400 # 迭代次数 learning_rate = 0.1 # 学习率 m_train = 200 # 训练样本数量# 整数索引值转one-hot向量 def index2onehot(index, classes):onehot = np.zeros((classes, index.size))onehot[index.astype(int), np.arange(index.size)] = 1return onehot# 读入轮椅数据 df = pd.read_csv('wheelchair_dataset.csv') data = np.array(df) m_all = np.shape(data)[0] # 样本数量 d = np.shape(data)[1] - 1 # 输入特征维数 classes = np.amax(data[:, d]) m_test = m_all - m_train # 测试样本的数量 # 构造随机种子为指定值的随机数生成器,并对数据集中样本随机排序 rng = np.random.default_rng(1) rng.shuffle(data) # 特征缩放(标准化) data = data.astype(float) mean = np.mean(data[0:m_train, 0:d], axis=0) std = np.std(data[0:m_train, 0:d], axis=0, ddof=1) data[:, 0:d] = (data[:, 0:d] - mean) / std # 划分数据集 X_train = data[0:m_train, 0:d].T Y_train = data[0:m_train, d].reshape((1, -1)) Y_train_onehot = index2onehot(Y_train.astype(int)-1, classes) # 将类别标注值转为one-hot向量 X_test = data[m_train:, 0:d].T Y_test = data[m_train, d].reshape((1, -1)) # 初始化 W = np.zeros((d, classes)) b = np.zeros((classes, 1)) v = np.ones((1, m_train)) # 1向量 U = np.ones((classes, classes)) # 1矩阵 costs_saved = [] # 迭代循环 for i in range(iterations):# 预测z = np.dot(W.T, X_train) + np.dot(b, v)exp_Z = np.exp(z)Y_hat = exp_Z / (np.dot(U, exp_Z))# 误差E = Y_hat - Y_train_onehot# 更新权重与偏差W = W - learning_rate * np.dot(X_train, E.T) / m_train # 更新权重b = b - learning_rate * np.dot(E, v.T) / m_train # 更新偏差# 保存代价函数的值costs = -np.trace(np.dot(Y_train_onehot.T, np.log(Y_hat))) / m_traincosts_saved.append(costs.item(0)) # 打印最新权重与偏差 print('Weights=\n', np.array2string(W, precision=3)) print('Bias=', np.array2string(np.squeeze(b, axis=1), precision=3)) # 画代价函数值 plt.plot(range(1, np.size(costs_saved) + 1), costs_saved, 'r-o', linewidth=2, markersize=5) plt.ylabel('costs') plt.xlabel('iterations') plt.title('learning rate=' + str(learning_rate)) plt.show() # 训练数据集上的预测 z = np.dot(W.T, X_train) + b # 广播操作 Y_train_hat = np.argmax(z, axis=0) + 1 # 测试数据集上的预测 z_test = np.dot(W.T, X_test) + b # 广播操作 Y_test_hat = np.argmax(z_test, axis=0) + 1 # 分类错误数量 print('Trainset prediction errors=', np.sum(Y_train != Y_train_hat)) print('Testset prediction errors=', np.sum(Y_test != Y_test_hat))结果图![]()
2、2-18实现二分类神经网络
代码
# 2-18 实现二分类神经网络 import pandas import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt# 参数设置 iterations = 1000 # 迭代次数 learning_rate = 0.1 # 学习率 m_train = 250 # 训练样本的数量 n = 2 # 隐含层节点的数量 # 读入酒驾检测数据集 df = pandas.read_csv('alcohol_dataset.csv') data = np.array(df) m_all = np.shape(data)[0] d = np.shape(data)[1] - 1 m_test = m_all - m_train # 构造随机种子为指定值的随机数生成器,并对数据集中的样本随机排序 rng = np.random.default_rng(1) rng.shuffle(data) # 标准化输入特征 mean = np.mean(data[0:m_train, 0:d], axis=0) std = np.std(data[0:m_train, 0:d], axis=0, ddof=1) data[:, 0:d] = (data[:, 0:d] - mean) / std # 划分数据集 X_train = data[0:m_train, 0:d].T X_test = data[m_train:, 0:d].T y_train = data[0:m_train, d].reshape((1, -1)) y_test = data[m_train:, d].reshape((1, -1)) # 初始化 W_1 = rng.random((d, n)) # W[1] b_1 = rng.random((n, 1)) # b[1] w_2 = rng.random((n, 1)) # w[2] b_2 = rng.random() # b[2] v = np.ones((1, m_train)).reshape((1, -1)) # v costs_saved = [] for i in range(iterations):# 正向传播Z_1 = np.dot(W_1.T, X_train) + np.dot(b_1, v)A_1 = Z_1 * (Z_1 > 0)z_2 = np.dot(w_2.T, A_1) + b_2 * vy_hat = 1. / (1. + np.exp(-z_2))# 反向传播e = y_hat - y_traindb_2 = np.dot(v, e.T) / m_traindw_2 = np.dot(A_1, e.T) / m_traindb_1 = np.dot(w_2 * (Z_1 > 0), e.T) / m_traindW_1_dot = np.dot(w_2, e) * (Z_1 > 0)dW_1 = np.dot(X_train, dW_1_dot.T) / m_train# 更新权重与偏差参数b_1 = b_1 - learning_rate * db_1W_1 = W_1 - learning_rate * dW_1b_2 = b_2 - learning_rate * db_2w_2 = w_2 - learning_rate * dw_2# 保存代价函数的值costs = - (np.dot(np.log(y_hat), y_train.T) + np.dot(np.log(1 - y_hat), (1 - y_train).T)) / m_traincosts_saved.append(costs.item(0)) # 打印最新权重与偏差 print('W_[1] =\n', np.array2string(W_1, precision=3)) print('b_[1] =', np.array2string(np.squeeze(b_1, axis=1), precision=3)) print('w_[2] =', np.array2string(np.squeeze(w_2, axis=1), precision=3)) print(f'b_[2] = {b_2.item(0):.3f}') # 画出代价函数的值 plt.plot(range(1, np.size(costs_saved) + 1), costs_saved, 'r-o', linewidth=2, markersize=5) plt.ylabel('Costs') plt.xlabel('Iterations') plt.title('Learning rate = ' + str(learning_rate)) plt.show() # 训练数据集上的预测 Z_1 = np.dot(W_1.T, X_train) + np.dot(b_1, v) A_1 = Z_1 * (Z_1 > 0) z_2 = np.dot(w_2.T, A_1) + b_2 * v y_hat = 1. / (1. + np.exp(-z_2)) y_train_hat = y_hat >= 0.5 # 测试数据集上的预测 Z_1_test = np.dot(W_1.T, X_test) + b_1 # 广播操作 A_1_test = Z_1_test * (Z_1_test > 0) z_2_test = np.dot(w_2.T, A_1_test) + b_2 # 广播操作 y_hat_test = 1. / (1. + np.exp(-z_2_test)) y_test_hat = y_hat_test >= 0.5 # 打印预测错误数量 print('Trainset prediction errors =', np.sum(y_train != y_train_hat)) print('Testset prediction errors =', np.sum(y_test != y_test_hat))
结果图
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