神经网络：多层感知器（附源码）

在之前的博客中 ，您了解了名为Perceptron的单个人工神经元。在本神经网络教程中，我们将向前迈出一步，讨论称为多层感知器（人工神经网络）的感知器网络。

我们将在本神经网络教程中讨论以下主题：

• 单层感知器的局限性
• 什么是多层感知器（人工神经网络）？
• 人工神经网络如何工作？
• 用例

这篇关于神经网络教程的博客最后将包含一个用例。我们将使用 TensorFlow 实现该用例该用例。

现在，我将首先讨论单层感知器的局限性。

单层感知器的局限性

单层感知机有两个主要问题：

• 单层感知机无法对非线性可分数据点进行分类。
• 单层感知器无法解决涉及大量参数的复杂问题。

单层 Percpetrons 无法对非线性可分数据点进行分类

让我们通过异或门的例子来理解这一点。考虑下图：

在这里，您不能用一条直线将高点和低点分开。但是，我们可以用两条直线将它分开。考虑下图：

单层感知器无法解决涉及大量参数的复杂问题：

在这里，我也将举例说明。

作为一家电子商务公司，您注意到销售额下降。现在，您尝试组建一个营销团队来营销产品以增加销售额。

营销团队可以通过多种方式营销您的产品，例如：

• 谷歌广告
• 个人电子邮件
• 相关网站的销售广告
• 参考程序
• 博客等。. .

考虑到所有可用的因素和选项，营销团队必须决定一个策略来进行最佳和有效的营销，但这项任务对于人类来说太复杂了，无法分析，因为参数的数量非常多。这个问题必须使用深度学习来解决。考虑下图：

他们可以只使用一种方式来营销他们的产品，也可以使用多种方式。

每种方式都有不同的优点和缺点，他们将不得不关注各种因素和选择，例如：

将发生的销售数量将取决于不同的分类输入、它们的子类别和它们的参数。然而，仅通过一个神经元（感知器）不可能从如此多的输入及其子参数进行计算和计算。

这就是为什么要使用多个神经元来解决这个问题。考虑下图：

由于所有这些原因，单层感知器不能用于复杂的非线性问题。

接下来，在本神经网络教程中，我将重点介绍多层感知器 (MLP)。

什么是多层感知器？

如您所知，我们的大脑由数百万个神经元组成，因此神经网络实际上只是感知器的组合，以不同的方式连接并在不同的激活函数上运行。

考虑下图：

• 输入节点——输入节点将外部世界的信息提供给网络，统称为“输入层”。在任何输入节点中都不执行任何计算——它们只是将信息传递给隐藏节点。
• 隐藏节点——隐藏节点与外界没有直接联系（因此得名“隐藏”）。它们执行计算并将信息从输入节点传输到输出节点。隐藏节点的集合形成一个“隐藏层”。虽然网络只有一个输入层和一个输出层，但它可以有零个或多个隐藏层。多层感知器具有一个或多个隐藏层。
• 输出节点——输出节点统称为“输出层”，负责计算和将信息从网络传输到外界。

是的，你猜对了，我将举个例子来解释——人工神经网络是如何工作的。

假设我们有一支足球队Chelsea的数据。数据包含三列。最后一列显示切尔西是赢了还是输了。另外两列是关于上半场的进球领先和下半场的控球。控球率是球队控球时间的百分比。所以，如果我说一支球队在上半场（45 分钟）拥有 50% 的控球率，这意味着该球队在 45 分钟内有 22.5 分钟控球。

上半场进球领先	下半场控球	赢了还是输了 (1,0)？
0	80%	1个
0	35%	0
1个	42%	1个
2个	20%	0
-1	75%	1个

最终结果列可以有两个值 1 或 0，表示切尔西是否赢得了比赛。例如，我们可以看到，如果上半场0球领先，而下半场切尔西控球率达到80%，那么切尔西就赢了比赛。

现在，假设我们要预测切尔西是否会赢得比赛，如果上半场的进球领先是 2，下半场的控球率为 32%。

这是一个二元分类问题，其中多层感知器可以从给定的示例（训练数据）中学习，并在给定新数据点的情况下做出明智的预测。我们将在下面看到多层感知器如何学习这种关系。

多层感知器学习的过程称为反向传播算法，我建议您阅读反向传播博客。

考虑下图：

前向传播：

在这里，我们将向前传播，即计算输入的加权和并添加偏差。在输出层，我们将使用 softmax 函数来获得切尔西获胜或失败的概率。

如果您注意到图表，获胜概率为 0.4，失败概率为 0.6。但是，根据我们的数据，我们知道当上半场进球数领先为 1，下半场控球率为 42% 时，切尔西将获胜。我们的网络做出了错误的预测。

如果我们看到错误（将网络输出与目标进行比较），则为 0.6 和 -0.6。

反向传播和权重更新：

我建议您参考反向传播博客。

我们计算输出节点的总误差，并使用反向传播将这些误差传播回网络以计算 梯度。然后我们使用 梯度下降等优化方法 来“调整” 网络中的 所有权重，以减少输出层的错误。

让我来解释一下梯度下降优化器是如何工作的：

步骤-1：首先我们计算误差，考虑以下等式：

步骤–2：根据我们得到的误差，它会计算误差随权重变化的变化率。

步骤–3：现在，根据这个重量变化，我们将计算新的重量值。

如果我们现在再次向网络输入相同的示例，网络应该比以前表现得更好，因为现在已经调整了权重以最小化预测误差。考虑下面的示例，如图所示，与之前的 [0.6, -0.4] 相比，输出节点的错误现在减少到 [0.2, -0.2]。这意味着我们的网络已经学会正确分类我们的第一个训练示例。

我们对数据集中的所有其他训练示例重复此过程。然后，据说我们的网络已经 学习了 这些例子。

现在，我可以将输入提供给我们的网络。如果我在上半场的进球数为 2，下半场的控球率为 32%，我们的网络将预测切尔西是否会赢得这场比赛。

现在，在本神经网络教程中，我们将获得动手实践的乐趣。我将使用 TensorFlow 为多层神经网络建模。

用例：

让我们看看我们的问题陈述：

现在，让我们看一下数据集，我们将使用它来训练我们的网络。

前四列是特征，最后一列是标签。

数据是从真品和伪造的类似钞票的样本的图像中提取的。最终图像有 400×400 像素。由于物镜和到被调查物体灰度的距离，获得了分辨率约为 660 dpi 的图片。小波变换工具用于从图像中提取特征。

为了实现这个用例，我们将使用下面的流程图：

让我们现在执行它：

import matplotlib.pyplot as plt
import tensorflow as tf
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from sklearn.utils import shuffle
from sklearn.model_selection import train_test_split

# Reading the dataset
def read_dataset():
    df = pd.read_csv("C:UsersSaurabhPycharmProjectsNeural Network Tutorialbanknote.csv")
    # print(len(df.columns))
    X = df[df.columns[0:4]].values
    y = df[df.columns[4]]

    # Encode the dependent variable
    Y = one_hot_encode(y)
    print(X.shape)
    return (X, Y)

# Define the encoder function.
def one_hot_encode(labels):
    n_labels = len(labels)
    n_unique_labels = len(np.unique(labels))
    one_hot_encode = np.zeros((n_labels, n_unique_labels))
    one_hot_encode[np.arange(n_labels), labels] = 1
    return one_hot_encode

# Read the dataset
X, Y = read_dataset()

# Shuffle the dataset to mix up the rows.
X, Y = shuffle(X, Y, random_state=1)

# Convert the dataset into train and test part
train_x, test_x, train_y, test_y = train_test_split(X, Y, test_size=0.20, random_state=415)

# Inpect the shape of the training and testing.
print(train_x.shape)
print(train_y.shape)
print(test_x.shape)

# Define the important parameters and variable to work with the tensors
learning_rate = 0.3
training_epochs = 100
cost_history = np.empty(shape=[1], dtype=float)
n_dim = X.shape[1]
print("n_dim", n_dim)
n_class = 2
model_path = "C:UsersSaurabhPycharmProjectsNeural Network TutorialBankNotes"

# Define the number of hidden layers and number of neurons for each layer
n_hidden_1 = 4
n_hidden_2 = 4
n_hidden_3 = 4
n_hidden_4 = 4

x = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_dim])
W = tf.Variable(tf.zeros([n_dim, n_class]))
b = tf.Variable(tf.zeros([n_class]))
y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_class])

# Define the model
def multilayer_perceptron(x, weights, biases):

    # Hidden layer with RELU activationsd
    layer_1 = tf.add(tf.matmul(x, weights['h1']), biases['b1'])
    layer_1 = tf.nn.relu(layer_1)

    # Hidden layer with sigmoid activation
    layer_2 = tf.add(tf.matmul(layer_1, weights['h2']), biases['b2'])
    layer_2 = tf.nn.relu(layer_2)

    # Hidden layer with sigmoid activation
    layer_3 = tf.add(tf.matmul(layer_2, weights['h3']), biases['b3'])
    layer_3 = tf.nn.relu(layer_3)

    # Hidden layer with RELU activation
    layer_4 = tf.add(tf.matmul(layer_3, weights['h4']), biases['b4'])
    layer_4 = tf.nn.sigmoid(layer_4)

    # Output layer with linear activation
    out_layer = tf.matmul(layer_4, weights['out']) + biases['out']
    return out_layer

# Define the weights and the biases for each layer

weights = {
    'h1': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_dim, n_hidden_1])),
    'h2': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_1, n_hidden_2])),
    'h3': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_2, n_hidden_3])),
    'h4': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_3, n_hidden_4])),
    'out': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_4, n_class]))
}
biases = {
    'b1': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_1])),
    'b2': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_2])),
    'b3': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_3])),
    'b4': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_hidden_4])),
    'out': tf.Variable(tf.truncated_normal([n_class]))
}

# Initialize all the variables

init = tf.global_variables_initializer()

saver = tf.train.Saver()

# Call your model defined
y = multilayer_perceptron(x, weights, biases)

# Define the cost function and optimizer
cost_function = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y, labels=y_))
training_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(cost_function)

sess = tf.Session()
sess.run(init)

# Calculate the cost and the accuracy for each epoch

mse_history = []
accuracy_history = []

for epoch in range(training_epochs):
    sess.run(training_step, feed_dict={x: train_x, y_: train_y})
    cost = sess.run(cost_function, feed_dict={x: train_x, y_: train_y})
    cost_history = np.append(cost_history, cost)
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
    # print("Accuracy: ", (sess.run(accuracy, feed_dict={x: test_x, y_: test_y})))
    pred_y = sess.run(y, feed_dict={x: test_x})
    mse = tf.reduce_mean(tf.square(pred_y - test_y))
    mse_ = sess.run(mse)
    mse_history.append(mse_)
    accuracy = (sess.run(accuracy, feed_dict={x: train_x, y_: train_y}))
    accuracy_history.append(accuracy)

    print('epoch : ', epoch, ' - ', 'cost: ', cost, " - MSE: ", mse_, "- Train Accuracy: ", accuracy)

save_path = saver.save(sess, model_path)
print("Model saved in file: %s" % save_path)

#Plot Accuracy Graph
plt.plot(accuracy_history)
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.show()

# Print the final accuracy

correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
print("Test Accuracy: ", (sess.run(accuracy, feed_dict={x: test_x, y_: test_y})))

# Print the final mean square er 
pred_y = sess.run(y, feed_dict={x: test_x})
mse = tf.reduce_mean(tf.square(pred_y - test_y))
print("MSE: %.4f" % sess.run(mse))

运行此代码后，您将获得以下输出：

您可以注意到最终准确率为 99.6364%，均方误差为 2.2198。我们实际上可以通过增加 epoch 的数量来让它变得更好。

下面是 epoch vs accuracy 的图表：

你可以看到，在每次迭代之后，准确度都在增加。