一文彻底搞懂BP算法：原理推导+数据演示+项目实战（下篇）

在“ 一文彻底搞懂BP算法： 原理推导+数据演示+项目实战（上篇） ”中我们详细介绍了BP算法的原理和推导过程，并且用实际的数据进行了计算演练。在下篇中，我们将自己实现BP算法（不使用第三方的算法框架），并用来解决鸢尾花分类问题。这里建议读者结合上下两篇文章一起看。

图1 鸢尾花

鸢尾花数据集如图2所示，总共有三个品种的鸢尾花（setosa、versicolor和virginica），每个类别50条样本数据，每个样本有四个特征（花萼长度、花萼宽度、花瓣长度以及花瓣宽度）。

图2 鸢尾花数据集

首先我们导入需要的包：

from csv import reader
import numpy as np
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
import random
import matplotlib.pyplot as plt
import math

接下来我们实现一个数据集的加载和预处理的函数“load_dataset”：

def load_dataset(dataset_path, n_train_data):
 """加载数据集，对数据进行预处理，并划分训练集和验证集
 :param dataset_path: 数据集文件路径
 :param n_train_data: 训练集的数据量
 :return: 划分好的训练集和验证集
 """
 dataset = []
 label_dict = {'Iris-setosa': 0, 'Iris-versicolor': 1, 'Iris-virginica': 2}
 with open(dataset_path, 'r') as file:
 # 读取CSV文件，以逗号为分隔符
 csv_reader = reader(file, delimiter=',')
 for row in csv_reader:
 # 将字符串类型的特征值转换为浮点型
 row[0:4] = list(map(float, row[0:4]))
 # 将标签替换为整型
 row[4] = label_dict[row[4]]
 # 将处理好的数据加入数据集中
 dataset.append(row)

 # 对数据进行归一化处理
 dataset = np.array(dataset)
 mms = MinMaxScaler()
 for i in range(dataset.shape[1] - 1):
 dataset[:, i] = mms.fit_transform(dataset[:, i].reshape(-1, 1)).flatten()

 # 将类标转为整型
 dataset = dataset.tolist()
 for row in dataset:
 row[4] = int(row[4])
 # 打乱数据集
 random.shuffle(dataset)

 # 划分训练集和验证集
 train_data = dataset[0:n_train_data]
 val_data = dataset[n_train_data:]

 return train_data, val_data

在“load_dataset”函数中，我们实现了数据集的读取、数据的归一化处理以及对数据集进行了“shuffle”操作等，最后函数返回了划分好的训练集和验证集。

实现数据预处理之后，接下来我们开始实现BP算法的关键部分（ 如果读者对算法原理有不清楚的地方，可以查看“ 一文彻底搞懂BP算法： 原理推导+数据演示+项目实战（上篇）” ）。首先我们实现神经元的计算部分、激活函数以及激活函数的求导部分。

def fun_z(weights, inputs):
 """计算神经元的输入：z = weight * inputs + b
 :param weights: 网络参数（权重矩阵和偏置项）
 :param inputs: 上一层神经元的输出
 :return: 当前层神经元的输入
 """
 bias_term = weights[-1]
 z = 0
 for i in range(len(weights)-1):
 z += weights[i] * inputs[i]
 z += bias_term
 return z


def sigmoid(z):
 """激活函数(Sigmoid)：f(z) = Sigmoid(z)
 :param z: 神经元的输入
 :return: 神经元的输出
 """
 return 1.0 / (1.0 + math.exp(-z))


def sigmoid_derivative(output):
 """Sigmoid激活函数求导
 :param output: 激活函数的输出值
 :return: 求导计算结果
 """
 return output * (1.0 - output)

函数“fun_z”实现了公式“z = weight * inputs + b”，其中inputs是上一层网络的输出，weight是当前层的权重矩阵，b是当前层的偏置项，计算得到的z是当前层的输入。

函数“sigmoid”是Sigmoid激活函数的实现，将z作为激活函数的输入，计算得到当前层的输出，并传递到下一层。   

函数“sigmoid_derivative”是Sigmoid函数求导的实现，在误差反向传播的时候需要用到。

接下来我们实现BP网络的前向传播：

def forward_propagate(network, inputs):
 """前向传播计算
 :param network: 神经网络
 :param inputs: 一个样本数据
 :return: 前向传播计算的结果
 """
 for layer in network: # 循环计算每一层
 new_inputs = []
 for neuron in layer: # 循环计算每一层的每一个神经元
 z = fun_z(neuron['weights'], inputs)
 neuron['output'] = sigmoid(z)
 new_inputs.append(neuron['output'])
 inputs = new_inputs
 return inputs

前向计算的过程比较简单，和我们在上篇中介绍的计算过程一致。 稍微麻烦一点的是误差反向传播的计算：

def backward_propagate_error(network, actual_label):
 """误差进行反向传播
 :param network: 神经网络
 :param actual_label: 真实的标签值
 :return:
 """
 for i in reversed(range(len(network))): # 从最后一层开始计算误差
 layer = network[i]
 errors = list()
 if i != len(network)-1: # 不是输出层
 for j in range(len(layer)): # 计算每一个神经元的误差
 error = 0.0
 for neuron in network[i + 1]:
 error += (neuron['weights'][j] * neuron['delta'])
 errors.append(error)
 else: # 输出层
 for j in range(len(layer)): # 计算每一个神经元的误差
 neuron = layer[j]
 errors.append(actual_label[j] - neuron['output'])
 # 计算误差项 delta
 for j in range(len(layer)):
 neuron = layer[j]
 neuron['delta'] = errors[j] * sigmoid_derivative(neuron['output'])

误差反向传播过程中，我们首先需要根据模型的输出来计算得到误差，然后计算输出层的误差项。 得到输出层的误差项之后，我们就可以根据上篇中介绍的“第k层神经元的误差项是由第k+1层的误差项乘以第k+1层的权重，再乘以第k层激活函数的导数得到”来计算其它层的误差项。

在计算得到每一层的误差项之后，我们根据上篇中介绍的权重矩阵和偏置项的更新公式来更新参数：    

def update_parameters(network, row, l_rate):
 """利用误差更新神经网络的参数（权重矩阵和偏置项）
 :param network: 神经网络
 :param row: 一个样本数据
 :param l_rate: 学习率
 :return:
 """
 for i in range(len(network)):
 inputs = row[:-1]
 if i != 0: # 获取上一层网络的输出
 inputs = [neuron['output'] for neuron in network[i - 1]]
 for neuron in network[i]:
 # 更新权重矩阵
 for j in range(len(inputs)):
 neuron['weights'][j] += l_rate * neuron['delta'] * inputs[j]
 # 更新偏置项
 neuron['weights'][-1] += l_rate * neuron['delta']

到这里所有的关键部分我们都已经实现了，接下来我们实现网络的初始化以及网络的训练部分，首先实现网络的初始化：

def initialize_network(n_inputs, n_hidden, n_outputs):
 """初始化BP网络（初始化隐藏层和输出层的参数：权重矩阵和偏置项）
 :param n_inputs: 特征列数
 :param n_hidden: 隐藏层神经元个数
 :param n_outputs: 输出层神经元个数，即分类的总类别数
 :return: 初始化后的神经网络
 """
 network = list()
 # 隐藏层
 hidden_layer = [{'weights': [random.random() for i in range(n_inputs + 1)]} for i in range(n_hidden)]
 network.append(hidden_layer)
 # 输出层
 output_layer = [{'weights': [random.random() for i in range(n_hidden + 1)]} for i in range(n_outputs)]
 network.append(output_layer)
 return network

这里我们初始化了一个两层神经网络（一个隐藏层和一个输出层）。 在初始化参数的时候，我们将权重矩阵和偏置项放在了一个数组中（“weights”），数组的最后一个元素是偏置项，前面的元素是权重矩阵。

接下来我们实现模型的训练部分：

def train(train_data, l_rate, epochs, n_hidden, val_data):
 """训练神经网络（迭代n_epoch个回合）
 :param train_data: 训练集
 :param l_rate: 学习率
 :param epochs: 迭代的回合数
 :param n_hidden: 隐藏层神经元个数
 :param val_data: 验证集
 :return: 训练好的网络
 """
 # 获取特征列数
 n_inputs = len(train_data[0]) - 1
 # 获取分类的总类别数
 n_outputs = len(set([row[-1] for row in train_data]))
 # 初始化网络
 network = initialize_network(n_inputs, n_hidden, n_outputs)

 acc = []
 for epoch in range(epochs): # 训练epochs个回合
 for row in train_data:
 # 前馈计算
 _ = forward_propagate(network, row)
 # 处理一下类标，用于计算误差
 actual_label = [0 for i in range(n_outputs)]
 actual_label[row[-1]] = 1
 # 误差反向传播计算
 backward_propagate_error(network, actual_label)
 # 更新参数
 update_parameters(network, row, l_rate)
 # 保存当前epoch模型在验证集上的准确率
 acc.append(validation(network, val_data))
 # 绘制出训练过程中模型在验证集上的准确率变化
 plt.xlabel('epochs')
 plt.ylabel('accuracy')
 plt.plot(acc)
 plt.show()

 return network

我们总共训练了epochs个回合，这里我们使用随机梯度下降来优化模型，因此每次都用一个样本来更新参数。 接下来我们实现一个函数用来验证模型的效果：

def validation(network, val_data):
 """测试模型在验证集上的效果
 :param network: 神经网络
 :param val_data: 验证集
 :return: 模型在验证集上的准确率
 """
 # 获取预测类标
 predicted_label = []
 for row in val_data:
 prediction = predict(network, row)
 predicted_label.append(prediction)
 # 获取真实类标
 actual_label = [row[-1] for row in val_data]
 # 计算准确率
 accuracy = accuracy_calculation(actual_label, predicted_label)
 # print("测试集实际类标：", actual_label)
 # print("测试集上的预测类标：", predicted_label)
 return accuracy

训练过程中的每一个回合，我们都用模型对验证集进行一次预测，并将预测的结果保存，用来绘制训练过程中模型在验证集上的准确率的变化过程。 准确率的计算以及使用模型进行预测的实现如下：

def accuracy_calculation(actual_label, predicted_label):
 """计算准确率
 :param actual_label: 真实类标
 :param predicted_label: 模型预测的类标
 :return: 准确率（百分制）
 """
 correct_count = 0
 for i in range(len(actual_label)):
 if actual_label[i] == predicted_label[i]:
 correct_count += 1
 return correct_count / float(len(actual_label)) * 100.0


def predict(network, row):
 """使用模型对当前输入的数据进行预测
 :param network: 神经网络
 :param row: 一个数据样本
 :return: 预测结果
 """
 outputs = forward_propagate(network, row)
 return outputs.index(max(outputs))

最后我们运行代码：

if __name__ == "__main__":
 file_path = './iris.csv'

 # 参数设置
 l_rate = 0.2 # 学习率
 epochs = 300 # 迭代训练的次数
 n_hidden = 5 # 隐藏层神经元个数
 n_train_data = 130 # 训练集的大小（总共150条数据，训练集130条，验证集20条）

 # 加载数据并划分训练集和验证集
 train_data, val_data = load_dataset(file_path, n_train_data)
 # 训练模型
 network = train(train_data, l_rate, epochs, n_hidden, val_data)

训练过程如图3所示：

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