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      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法

      首页 知识中心 软件开发 文章详情页

      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法

      2025-04-09 09:16:56 阅读次数:7

      二进制,代码,初始化,加法,运算,遍历

      实际问题:二进制加法

      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法
      1.遵循加法的规则
      2.逢二进一

      当前位的加法还要考虑前一位的进位。

      完整代码

      import copy, numpy as np
      np.random.seed(0)
      
      # compute sigmoid nonlinearity
      def sigmoid(x):
          output = 1/(1+np.exp(-x))
          return output
      
      # convert output of sigmoid function to its derivative
      def sigmoid_output_to_derivative(output):
          return output*(1-output)
      
      
      # training dataset generation
      int2binary = {}
      binary_dim = 8
      
      largest_number = pow(2,binary_dim)
      binary = np.unpackbits(
          np.array([range(largest_number)],dtype=np.uint8).T,axis=1)
      for i in range(largest_number):
          int2binary[i] = binary[i]
      
      
      # input variables
      alpha = 0.1
      input_dim = 2
      hidden_dim = 16
      output_dim = 1
      
      
      # initialize neural network weights
      synapse_0 = 2*np.random.random((input_dim,hidden_dim)) - 1
      synapse_1 = 2*np.random.random((hidden_dim,output_dim)) - 1
      synapse_h = 2*np.random.random((hidden_dim,hidden_dim)) - 1
      
      synapse_0_update = np.zeros_like(synapse_0)
      synapse_1_update = np.zeros_like(synapse_1)
      synapse_h_update = np.zeros_like(synapse_h)
      
      # training logic
      for j in range(10000):
          
          # generate a simple addition problem (a + b = c)
          a_int = np.random.randint(largest_number/2) # int version
          a = int2binary[a_int] # binary encoding
      
          b_int = np.random.randint(largest_number/2) # int version
          b = int2binary[b_int] # binary encoding
      
          # true answer
          c_int = a_int + b_int
          c = int2binary[c_int]
          
          # where we'll store our best guess (binary encoded)
          d = np.zeros_like(c)
      
          overallError = 0
          
          layer_2_deltas = list()
          layer_1_values = list()
          layer_1_values.append(np.zeros(hidden_dim))
          
          # moving along the positions in the binary encoding
          for position in range(binary_dim):
              
              # generate input and output
              X = np.array([[a[binary_dim - position - 1],b[binary_dim - position - 1]]])
              y = np.array([[c[binary_dim - position - 1]]]).T
      
              # hidden layer (input ~+ prev_hidden)
              layer_1 = sigmoid(np.dot(X,synapse_0) + np.dot(layer_1_values[-1],synapse_h))
      
              # output layer (new binary representation)
              layer_2 = sigmoid(np.dot(layer_1,synapse_1))
      
              # did we miss?... if so, by how much?
              layer_2_error = y - layer_2
              layer_2_deltas.append((layer_2_error)*sigmoid_output_to_derivative(layer_2))
              overallError += np.abs(layer_2_error[0])
          
              # decode estimate so we can print it out
              d[binary_dim - position - 1] = np.round(layer_2[0][0])
              
              # store hidden layer so we can use it in the next timestep
              layer_1_values.append(copy.deepcopy(layer_1))
          
          future_layer_1_delta = np.zeros(hidden_dim)
          
          for position in range(binary_dim):
              
              X = np.array([[a[position],b[position]]])
              layer_1 = layer_1_values[-position-1]
              prev_layer_1 = layer_1_values[-position-2]
              
              # error at output layer
              layer_2_delta = layer_2_deltas[-position-1]
              # error at hidden layer
              layer_1_delta = (future_layer_1_delta.dot(synapse_h.T) + layer_2_delta.dot(synapse_1.T)) * sigmoid_output_to_derivative(layer_1)
      
              # let's update all our weights so we can try again
              synapse_1_update += np.atleast_2d(layer_1).T.dot(layer_2_delta)
              synapse_h_update += np.atleast_2d(prev_layer_1).T.dot(layer_1_delta)
              synapse_0_update += X.T.dot(layer_1_delta)
              
              future_layer_1_delta = layer_1_delta
          
      
          synapse_0 += synapse_0_update * alpha
          synapse_1 += synapse_1_update * alpha
          synapse_h += synapse_h_update * alpha    
      
          synapse_0_update *= 0
          synapse_1_update *= 0
          synapse_h_update *= 0
          
          # print out progress
          if(j % 1000 == 0):
              print ("Error:" + str(overallError))
              print ("Pred:" + str(d))
              print ("True:" + str(c))
              out = 0
              for index,x in enumerate(reversed(d)):
                  out += x*pow(2,index)
              print (str(a_int) + " + " + str(b_int) + " = " + str(out))
              print ("------------")
      
      
              
      

      代码分析

      激活函数及其求导:

      # compute sigmoid nonlinearity
      # 激活函数sigmoid
      def sigmoid(x):
          output = 1/(1+np.exp(-x))
          return output
      
      # convert output of sigmoid function to its derivative
      # 反向传播sigmoid的导数值
      def sigmoid_output_to_derivative(output):
          return output*(1-output)
      

      十进制与二进制的对应关系:

      # training dataset generation
      int2binary = {}
      binary_dim = 8
      
      largest_number = pow(2,binary_dim)
      binary = np.unpackbits(
          np.array([range(largest_number)],dtype=np.uint8).T,axis=1)
      for i in range(largest_number):
          int2binary[i] = binary[i]
      

      网络初始化:

      # input variables
      alpha = 0.1
      input_dim = 2
      # 定义输入的维度,即两个数
      hidden_dim = 16
      # 16个中间神经元
      output_dim = 1
      # 定义输出的维度,即一个数
      

      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法
      初始化w0、w1、wh:

      # initialize neural network weights
      synapse_0 = 2*np.random.random((input_dim,hidden_dim)) - 1
      synapse_1 = 2*np.random.random((hidden_dim,output_dim)) - 1
      synapse_h = 2*np.random.random((hidden_dim,hidden_dim)) - 1
      
      # 更新参数的值
      synapse_0_update = np.zeros_like(synapse_0)
      synapse_1_update = np.zeros_like(synapse_1)
      synapse_h_update = np.zeros_like(synapse_h)
      
      

      开始迭代:

      # training logic
      for j in range(10000):
      

      随机找a、b的值,要小于最大值的一半:

          # generate a simple addition problem (a + b = c)
          a_int = np.random.randint(largest_number/2) # int version
          a = int2binary[a_int] # binary encoding
      
          b_int = np.random.randint(largest_number/2) # int version
          b = int2binary[b_int] # binary encoding
      

      得出c并转换成二进制数:

          # true answer
          c_int = a_int + b_int
          c = int2binary[c_int]
      
          # where we'll store our best guess (binary encoded)
          d = np.zeros_like(c)
      
          overallError = 0
          
          layer_2_deltas = list()
          layer_1_values = list()
          # L1层迭代的值
          layer_1_values.append(np.zeros(hidden_dim))
          # 第一次迭代的时候先全部初始化为0
      

      前向传播遍历每一位运算:

          # moving along the positions in the binary encoding
          for position in range(binary_dim):
      
              # generate input and output
              X = np.array([[a[binary_dim - position - 1],b[binary_dim - position - 1]]])
              y = np.array([[c[binary_dim - position - 1]]]).T
      

      L1、L2层的值:

              # hidden layer (input ~+ prev_hidden)
              layer_1 = sigmoid(np.dot(X,synapse_0) + np.dot(layer_1_values[-1],synapse_h))
              
              # output layer (new binary representation)
              layer_2 = sigmoid(np.dot(layer_1,synapse_1))
      
              # did we miss?... if so, by how much?
              layer_2_error = y - layer_2
              # 得出预测值与真实值之间的差异
              layer_2_deltas.append((layer_2_error)*sigmoid_output_to_derivative(layer_2))
              overallError += np.abs(layer_2_error[0])
      

      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法
      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法
      实际的预测值:

              # decode estimate so we can print it out
              d[binary_dim - position - 1] = np.round(layer_2[0][0])
      

      因为L1层循环的原因,要保存其值:

              # store hidden layer so we can use it in the next timestep
              layer_1_values.append(copy.deepcopy(layer_1))
      

      反向传播遍历每一位运算:

          for position in range(binary_dim):
      
              X = np.array([[a[position],b[position]]])
              layer_1 = layer_1_values[-position-1]
              prev_layer_1 = layer_1_values[-position-2]
      

      更新权重:

              # error at output layer
              layer_2_delta = layer_2_deltas[-position-1]
              # error at hidden layer
              layer_1_delta = (future_layer_1_delta.dot(synapse_h.T) + layer_2_delta.dot(synapse_1.T)) * sigmoid_output_to_derivative(layer_1)
              
              # let's update all our weights so we can try again
              synapse_1_update += np.atleast_2d(layer_1).T.dot(layer_2_delta)
              synapse_h_update += np.atleast_2d(prev_layer_1).T.dot(layer_1_delta)
              synapse_0_update += X.T.dot(layer_1_delta)
              
              future_layer_1_delta = layer_1_delta
      

      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法
      深度学习——02、深度学习入门——python实现RNN算法
      参数更新:

          synapse_0 += synapse_0_update * alpha
          synapse_1 += synapse_1_update * alpha
          synapse_h += synapse_h_update * alpha    
      
          synapse_0_update *= 0
          synapse_1_update *= 0
          synapse_h_update *= 0
      

      打印结果:

          # print out progress
          if(j % 1000 == 0):
              print ("Error:" + str(overallError))
              print ("Pred:" + str(d))
              print ("True:" + str(c))
              out = 0
              for index,x in enumerate(reversed(d)):
                  out += x*pow(2,index)
              print (str(a_int) + " + " + str(b_int) + " = " + str(out))
              print ("------------")
      

      运行结果

      Error:[3.45638663]
      Pred:[0 0 0 0 0 0 0 1]
      True:[0 1 0 0 0 1 0 1]
      9 + 60 = 1
      ------------
      Error:[3.63389116]
      Pred:[1 1 1 1 1 1 1 1]
      True:[0 0 1 1 1 1 1 1]
      28 + 35 = 255
      ------------
      Error:[3.91366595]
      Pred:[0 1 0 0 1 0 0 0]
      True:[1 0 1 0 0 0 0 0]
      116 + 44 = 72
      ------------
      Error:[3.72191702]
      Pred:[1 1 0 1 1 1 1 1]
      True:[0 1 0 0 1 1 0 1]
      4 + 73 = 223
      ------------
      Error:[3.5852713]
      Pred:[0 0 0 0 1 0 0 0]
      True:[0 1 0 1 0 0 1 0]
      71 + 11 = 8
      ------------
      Error:[2.53352328]
      Pred:[1 0 1 0 0 0 1 0]
      True:[1 1 0 0 0 0 1 0]
      81 + 113 = 162
      ------------
      Error:[0.57691441]
      Pred:[0 1 0 1 0 0 0 1]
      True:[0 1 0 1 0 0 0 1]
      81 + 0 = 81
      ------------
      Error:[1.42589952]
      Pred:[1 0 0 0 0 0 0 1]
      True:[1 0 0 0 0 0 0 1]
      4 + 125 = 129
      ------------
      Error:[0.47477457]
      Pred:[0 0 1 1 1 0 0 0]
      True:[0 0 1 1 1 0 0 0]
      39 + 17 = 56
      ------------
      Error:[0.21595037]
      Pred:[0 0 0 0 1 1 1 0]
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      ------------
      
      版权声明:本文内容来自第三方投稿或授权转载,原文地址:https://alex007.blog.csdn.net/article/details/87812227,作者:Alex_996,版权归原作者所有。本网站转在其作品的目的在于传递更多信息,不拥有版权,亦不承担相应法律责任。如因作品内容、版权等问题需要同本网站联系,请发邮件至ctyunbbs@chinatelecom.cn沟通。

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