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深度学习之深L层神经网络

时间：2022-10-20 22:04:34浏览次数：81  
标签：linear parameters cache 神经网络 之深 str 深度 forward prev

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   本文参考(8条消息) 【中文】【吴恩达课后编程作业】Course 1 - 神经网络和深度学习 - 第四周作业(1&2)_何宽的博客-CSDN博客

力求自己理解，刚刚走进深度学习希望可以一起探索。

本文所使用的资料已上传到百度网盘【点击下载】，提取码：xx1w，请在开始之前下载好所需资料，并将资料与代码放在相同界面

流程图

 

 

 请注意，对于每个前向函数，都有一个相应的后向函数。 这就是为什么在我们的转发模块的每一步都会在cache中存储一些值，cache的值对计算梯度很有用，

 在反向传播模块中，我们将使用cache来计算梯度。 现在我们正式开始分别构建两层神经网络和多层神经网络。这里很重要。

import numpy as np
import h5py
import matplotlib.pyplot as plt
import testCases #参见资料包
from dnn_utils import sigmoid, sigmoid_backward, relu, relu_backward #参见资料包
import lr_utils #参见资料包

为了和我的数据匹配，你需要指定随机种子

np.random.seed(1)

对于一个两层的的神经网络而言，如下图

 

 

 初始化参数如下

def initialize_parameters(n_x,n_h,n_y):
    """
    此函数是为了初始化两层网络参数而使用的函数。
    参数：
        n_x - 输入层节点数量
        n_h - 隐藏层节点数量
        n_y - 输出层节点数量
    
    返回：
        parameters - 包含你的参数的python字典：
            W1 - 权重矩阵,维度为（n_h，n_x）
            b1 - 偏向量，维度为（n_h，1）
            W2 - 权重矩阵，维度为（n_y，n_h）
            b2 - 偏向量，维度为（n_y，1）

    """
    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))
    
    #使用断言确保我的数据格式是正确的
    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

接下来，我们测试一下

print("==============测试initialize_parameters==============")
parameters = initialize_parameters(3,2,1)
print("W1 = " + str(parameters["W1"]))
print("b1 = " + str(parameters["b1"]))
print("W2 = " + str(parameters["W2"]))
print("b2 = " + str(parameters["b2"]))
==============测试initialize_parameters==============
W1 = [[ 0.01624345 -0.00611756 -0.00528172]
 [-0.01072969  0.00865408 -0.02301539]]
b1 = [[0.]
 [0.]]
W2 = [[ 0.01744812 -0.00761207]]
b2 = [[0.]]

两层的神经网络测试已经完毕了，那么对于一个L层的神经网络而言呢？初始化会是什么样的？
当然我们在大学都学过矩阵的乘法和加法吧，我们来看代码
def initialize_parameters_deep(layers_dims):
    """
    此函数是为了初始化多层网络参数而使用的函数。
    参数：
        layers_dims - 包含我们网络中每个图层的节点数量的列表
    
    返回：
        parameters - 包含参数“W1”，“b1”，...，“WL”，“bL”的字典：
                     W1 - 权重矩阵，维度为（layers_dims [1]，layers_dims [1-1]）
                     bl - 偏向量，维度为（layers_dims [1]，1）
    """
    np.random.seed(3)
    parameters = {}
    L = len(layers_dims)
    
    for l in range(1,L):
        parameters["W" + str(l)] = np.random.randn(layers_dims[l], layers_dims[l - 1]) / np.sqrt(layers_dims[l - 1]) # ➗这个根号其实和上面的✖0.01是一样目的的
        parameters["b" + str(l)] = np.zeros((layers_dims[l], 1))
        
        #确保我要的数据的格式是正确的
        assert(parameters["W" + str(l)].shape == (layers_dims[l], layers_dims[l-1]))
        assert(parameters["b" + str(l)].shape == (layers_dims[l], 1))
        
    return parameters

我们来测试一下

#测试initialize_parameters_deep
print("==============测试initialize_parameters_deep==============")
layers_dims = [5,4,3]
parameters = initialize_parameters_deep(layers_dims)
print("W1 = " + str(parameters["W1"]))
print("b1 = " + str(parameters["b1"]))
print("W2 = " + str(parameters["W2"]))
print("b2 = " + str(parameters["b2"]))
==============测试initialize_parameters_deep==============
W1 = [[ 0.79989897  0.19521314  0.04315498 -0.83337927 -0.12405178]
 [-0.15865304 -0.03700312 -0.28040323 -0.01959608 -0.21341839]
 [-0.58757818  0.39561516  0.39413741  0.76454432  0.02237573]
 [-0.18097724 -0.24389238 -0.69160568  0.43932807 -0.49241241]]
b1 = [[0.]
 [0.]
 [0.]
 [0.]]
W2 = [[-0.59252326 -0.10282495  0.74307418  0.11835813]
 [-0.51189257 -0.3564966   0.31262248 -0.08025668]
 [-0.38441818 -0.11501536  0.37252813  0.98805539]]
b2 = [[0.]
 [0.]
 [0.]]
我们分别构建了两层和多层神经网络的初始化参数的函数，现在我们开始构建前向传播函数。
向前传播函数
  • LINEAR
  • LINEAR - >ACTIVATION，其中激活函数将会使用ReLU或Sigmoid。
  • [LINEAR - > RELU] ×（L-1） - > LINEAR - > SIGMOID（整个模型）

                                                                                                      

线性部分【LINEAR】

前向传播中，线性部分计算如下：

#测试linear_forward
print("==============测试linear_forward==============")
A,W,b = testCases.linear_forward_test_case()
Z,linear_cache = linear_forward(A,W,b)
print("Z = " + str(Z))
==============测试linear_forward==============
Z = [[ 3.26295337 -1.23429987]]

线性激活部分【LINEAR - >ACTIVATION】

我们为了实现LINEAR->ACTIVATION这个步骤， 使用的公式是：A[l]=g(z[l])=g(W[l]A[l-1]+b[l]),其中，函数g会是sigmoid() 或者是 relu()，当然sigmoid()只在输出层使用,现在我们正式构建前向线性激活部分。

我们发现在同一层中A的序列号总是会少1。

def linear_activation_forward(A_prev,W,b,activation):
    """
    实现LINEAR-> ACTIVATION 这一层的前向传播

    参数：
        A_prev - 来自上一层（或输入层）的激活，维度为(上一层的节点数量，示例数）
        W - 权重矩阵，numpy数组，维度为（当前层的节点数量，前一层的大小）
        b - 偏向量，numpy阵列，维度为（当前层的节点数量，1）
        activation - 选择在此层中使用的激活函数名，字符串类型，【"sigmoid" | "relu"】

    返回：
        A - 激活函数的输出，也称为激活后的值
        cache - 一个包含“linear_cache”和“activation_cache”的字典，我们需要存储它以有效地计算后向传递
    """
    
    if activation == "sigmoid":
        Z, linear_cache = linear_forward(A_prev, W, b)
        A, activation_cache = sigmoid(Z)
    elif activation == "relu":
        Z, linear_cache = linear_forward(A_prev, W, b)
        A, activation_cache = relu(Z)
    
    assert(A.shape == (W.shape[0],A_prev.shape[1]))
    cache = (linear_cache,activation_cache)
    
    return A,cache

我们来测试一下：

#测试linear_activation_forward
print("==============测试linear_activation_forward==============")
A_prev, W,b = testCases.linear_activation_forward_test_case()

A, linear_activation_cache = linear_activation_forward(A_prev, W, b, activation = "sigmoid")
print("sigmoid，A = " + str(A))

A, linear_activation_cache = linear_activation_forward(A_prev, W, b, activation = "relu")
print("ReLU，A = " + str(A))
==============测试linear_activation_forward==============
sigmoid，A = [[0.96890023 0.11013289]]
ReLU，A = [[3.43896131 0.        ]]

我们把两层模型需要的前向传播函数做完了，那多层网络模型的前向传播是怎样的呢？我们调用上面的那两个函数来实现它，为了在实现L层神经网络时更加方便，

我们需要一个函数来复制前一个函数（带有RELU的linear_activation_forward）L-1次，然后用一个带有SIGMOID的linear_activation_forward跟踪它，

我们来看一下它的结构是怎样的：

 

 

 

在下面的代码中，AL表示A[L]=g(Z[L])=g(W[L]A[L-1]+b[L]),(也可称作 Y_hat)

多层模型的前向传播计算模型代码如下：

def L_model_forward(X,parameters):
    """
    实现[LINEAR-> RELU] *（L-1） - > LINEAR-> SIGMOID计算前向传播，也就是多层网络的前向传播，为后面每一层都执行LINEAR和ACTIVATION
    
    参数：
        X - 数据，numpy数组，维度为（输入节点数量，示例数）
        parameters - initialize_parameters_deep（）的输出
    
    返回：
        AL - 最后的激活值
        caches - 包含以下内容的缓存列表：
                 linear_relu_forward（）的每个cache（有L-1个，索引为从0到L-2）
                 linear_sigmoid_forward（）的cache（只有一个，索引为L-1）
    """
    caches = []
    A = X
    L = len(parameters) // 2  # 因为有两个参数（W,b）因此要整除以2
    for l in range(1,L):
        A_prev = A 
        A, cache = linear_activation_forward(A_prev, parameters['W' + str(l)], parameters['b' + str(l)], "relu")
        caches.append(cache)
    
    AL, cache = linear_activation_forward(A, parameters['W' + str(L)], parameters['b' + str(L)], "sigmoid")
    caches.append(cache)
    
    assert(AL.shape == (1,X.shape[1]))
    
    return AL,caches

我们来测试一下：

#测试L_model_forward
print("==============测试L_model_forward==============")
X,parameters = testCases.L_model_forward_test_case()
AL,caches = L_model_forward(X,parameters)
print("AL = " + str(AL))
print("caches 的长度为 = " + str(len(caches)))
==============测试L_model_forward==============
AL = [[0.17007265 0.2524272 ]]
caches 的长度为 = 2

计算成本

我们已经把这两个模型的前向传播部分完成了，我们需要计算成本（误差），以确定它到底有没有在学习，成本的计算公式如下：

                                                        

def compute_cost(AL,Y):
    """
    上面定义的成本函数。

    参数：
        AL - 与标签预测相对应的概率向量，维度为（1，示例数量）
        Y - 标签向量（例如：如果不是猫，则为0，如果是猫则为1），维度为（1，数量）

    返回：
        cost - 交叉熵成本
    """
    m = Y.shape[1]
    cost = -np.sum(np.multiply(np.log(AL),Y) + np.multiply(np.log(1 - AL), 1 - Y)) / m
        
    cost = np.squeeze(cost)
    assert(cost.shape == ())

    return cost

我们来测试一下：

#测试compute_cost
print("==============测试compute_cost==============")
Y,AL = testCases.compute_cost_test_case()
print("cost = " + str(compute_cost(AL, Y)))
==============测试compute_cost==============
cost = 0.414931599615397
我们已经把误差值计算出来了，现在开始进行反向传播

反向传播

反向传播用于计算相对于参数的损失函数的梯度，我们来看看向前和向后传播的流程图：

 

 

 

与前向传播类似，我们有需要使用三个步骤来构建反向传播：

LINEAR 后向计算
LINEAR -> ACTIVATION 后向计算，其中ACTIVATION 计算Relu或者Sigmoid 的结果
[LINEAR -> RELU] × \times× (L-1) -> LINEAR -> SIGMOID 后向计算 (整个模型)

线性部分【LINEAR backward】

 我们来实现后向传播线性部分：

def linear_backward(dZ,cache):
    """
    为单层实现反向传播的线性部分（第L层）

    参数：
         dZ - 相对于（当前第l层的）线性输出的成本梯度
         cache - 来自当前层前向传播的值的元组（A_prev，W，b）

    返回：
         dA_prev - 相对于激活（前一层l-1）的成本梯度，与A_prev维度相同
         dW - 相对于W（当前层l）的成本梯度，与W的维度相同
         db - 相对于b（当前层l）的成本梯度，与b维度相同
    """
    A_prev, W, b = cache
    m = A_prev.shape[1]
    dW = np.dot(dZ, A_prev.T) / m
    db = np.sum(dZ, axis=1, keepdims=True) / m
    dA_prev = np.dot(W.T, dZ)
    
    assert (dA_prev.shape == A_prev.shape)
    assert (dW.shape == W.shape)
    assert (db.shape == b.shape)
    
    return dA_prev, dW, db

我们来测试一下：

#测试linear_backward
print("==============测试linear_backward==============")
dZ, linear_cache = testCases.linear_backward_test_case()

dA_prev, dW, db = linear_backward(dZ, linear_cache)
print ("dA_prev = "+ str(dA_prev))
print ("dW = " + str(dW))
print ("db = " + str(db))
==============测试linear_backward==============
dA_prev = [[ 0.51822968 -0.19517421]
 [-0.40506361  0.15255393]
 [ 2.37496825 -0.89445391]]
dW = [[-0.10076895  1.40685096  1.64992505]]
db = [[0.50629448]]
未写完。。。。。

 



 

标签：linear,parameters,cache,神经网络,之深,str,深度,forward,prev
From： https://www.cnblogs.com/kk-style/p/16811453.html

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