一步一步用numpy实现神经网络各种层
1. 首先准备一下数据
if __name__ == "__main__":data = np.array([[2, 1, 0],[2, 2, 0],[5, 4, 1],[4, 5, 1],[2, 3, 0],[3, 2, 0],[6, 5, 1],[4, 1, 0],[6, 3, 1],[7, 4, 1]])x = data[:, :-1]y = data[:, -1]for epoch in range(1000):...
2. 实现Softmax+CrossEntropy层
单独求softmax层有点麻烦, 将softmax+entropy一起求导更方便。
假设对于输入向量 ( x 1 , x 2 , x 3 ) (x_1, x_2, x_3) (x1,x2,x3), 则对应的Loss为:
L = − ∑ i = 1 C y i ln p i = − ( y 1 ln p 1 + y 2 ln p 2 + y 3 ln p 3 ) \begin{align*} L&=-\sum_{i=1}^Cy_i \ln p^i \\ &=-(y_1\ln p_1+y_2\ln p_2+y_3\ln p_3) \end{align*} L=−i=1∑Cyilnpi=−(y1lnp1+y2lnp2+y3lnp3)
其中 y i y_i yi为ground truth, 为one-hot vector. p i p_i pi为输出概率。
p 1 = e x 1 e x 1 + e x 2 + e x 3 p 2 = e x 2 e x 1 + e x 2 + e x 3 p 3 = e x 3 e x 1 + e x 2 + e x 3 p_1=\frac{e^{x_1}}{e^{x_1}+e^{x_2}+e^{x_3}}\\ p_2=\frac{e^{x_2}}{e^{x_1}+e^{x_2}+e^{x_3}}\\ p_3=\frac{e^{x_3}}{e^{x_1}+e^{x_2}+e^{x_3}}\\ p1=ex1+ex2+ex3ex1p2=ex1+ex2+ex3ex2p3=ex1+ex2+ex3ex3
则偏导为
∂ L ∂ x 1 = − y 1 1 p 1 ∗ ∂ p 1 ∂ x 1 − y 2 1 p 2 ∗ ∂ p 2 ∂ x 1 − y 3 1 p 3 ∗ ∂ p 3 ∂ x 1 = − y 1 1 p 1 ∗ e x 1 ∗ ( e x 1 + e x 2 + e x 3 ) − e x 1 ∗ e x 1 ( e x 1 + e x 2 + e x 3 ) 2 − y 2 1 p 2 ∗ − e x 2 ∗ e x 1 ( e x 1 + e x 2 + e x 3 ) 2 − y 3 1 p 3 ∗ − e x 3 ∗ e x 1 ( e x 1 + e x 2 + e x 3 ) 2 = − y 1 1 p 1 ( p 1 ∗ p 2 + p 1 ∗ p 3 ) − y 2 1 p 2 ( − p 1 ∗ p 2 ) − y 3 1 p 3 ( − p 1 ∗ p 3 ) = − y 1 ( p 2 + p 3 ) + y 2 ∗ p 2 + y 3 ∗ p 3 = − y 1 ( 1 − p 1 ) + y 2 ∗ p 1 + y 3 ∗ p 1 = y 1 ( p 1 − 1 ) + y 2 ∗ p 1 + y 3 ∗ p 1 \begin{align*} \frac{\partial L}{\partial x_1} &= -y_1\frac{1}{p_1}*\frac{\partial p_1}{\partial x_1} - y_2\frac{1}{p_2}*\frac{\partial p_2}{\partial x_1} - y_3\frac{1}{p_3}*\frac{\partial p_3}{\partial x_1} \\ &= -y_1\frac{1}{p_1} * \frac{e^{x_1} * (e^{x_1}+e^{x_2}+e^{x_3})-e^{x_1}*e^{x_1}}{(e^{x_1}+e^{x_2}+e^{x_3})^2} \\ &\quad\quad-y_2\frac{1}{p_2}*\frac{-e^{x_2}*e^{x_1}}{{(e^{x_1}+e^{x_2}+e^{x_3})^2}}\\ &\quad\quad-y_3\frac{1}{p_3}*\frac{-e^{x_3}*e^{x_1}}{{(e^{x_1}+e^{x_2}+e^{x_3})^2}}\\ &=-y_1\frac{1}{p_1}(p_1*p_2+p_1*p_3)\\ &\quad\quad -y_2\frac{1}{p_2}(-p_1*p_2)\\ &\quad\quad -y_3\frac{1}{p_3}(-p_1*p_3)\\ &=-y1(p_2+p_3)+y_2*p_2+y_3*p_3\\ &=-y_1(1-p_1)+y_2*p_1+y_3*p_1\\ &=y_1(p_1-1)+y_2*p_1+y_3*p_1 \end{align*} ∂x1∂L=−y1p11∗∂x1∂p1−y2p21∗∂x1∂p2−y3p31∗∂x1∂p3=−y1p11∗(ex1+ex2+ex3)2ex1∗(ex1+ex2+ex3)−ex1∗ex1−y2p21∗(ex1+ex2+ex3)2−ex2∗ex1−y3p31∗(ex1+ex2+ex3)2−ex3∗ex1=−y1p11(p1∗p2+p1∗p3)−y2p21(−p1∗p2)−y3p31(−p1∗p3)=−y1(p2+p3)+y2∗p2+y3∗p3=−y1(1−p1)+y2∗p1+y3∗p1=y1(p1−1)+y2∗p1+y3∗p1
同理:
∂ L ∂ x 2 = y 1 ∗ p 2 + y 2 ( p 2 − 1 ) + y 3 ∗ p 2 ∂ L ∂ x 3 = y 1 ∗ p 3 + y 2 p 3 + y 3 ∗ ( p 3 − 1 ) \frac{\partial L}{\partial x_2}=y_1*p_2+y_2(p_2-1)+y_3*p_2\\ \frac{\partial L}{\partial x_3}=y_1*p_3+y_2p_3+y_3*(p_3-1) ∂x2∂L=y1∗p2+y2(p2−1)+y3∗p2∂x3∂L=y1∗p3+y2p3+y3∗(p3−1)
当 y 1 = 1 y_1=1 y1=1时, 对应的导数为 ( p 1 − 1 , p 2 , p 3 ) (p1-1, p_2, p_3) (p1−1,p2,p3). 当 y 2 = 1 y_2=1 y2=1时,对应的导数为: ( p 1 , p 2 − 1 , p 3 ) (p_1, p2-1, p3) (p1,p2−1,p3).
例如求得概率为 ( 0.2 , 0.3 , 0.5 ) (0.2, 0.3, 0.5) (0.2,0.3,0.5), label为 ( 0 , 0 , 1 ) (0, 0, 1) (0,0,1), 则导数为 ( 0.2 , 0.3 , − 0.5 ) (0.2, 0.3, -0.5) (0.2,0.3,−0.5)
python代码为:
注意求softmax时需要np.exp(x-np.max(x, axis=1, keepdims=True))防止指数运算溢出。
class Softmax:def __init__(self, n_classes):self.n_classes = n_classesdef forward(self, x, y):prob = np.exp(x-np.max(x, axis=1, keepdims=True))prob /= np.sum(prob, axis=1, keepdims=True)# 选出y==1位置的概率loss = -np.sum(np.log(prob[np.arange(len(y), y])) / len(y)self.grad = prob.copy()self.grad[np.arange(len(y), y] -= 1"""因为后面求导数都是直接np.sum而不是np.mean, 因此这里mean一次就可以了"""self.grad /= len(y) return prob, lossdef backward(self):return self.grad
3. 单独的CrossEntropy
python代码为:
class Entropy:def __init__(self, n_classes):self.n_classes = n_classesself.grad = Nonedef forward(self, x, y):# x: (b, c), y: (b)b = y.shape[0]one_hot_y = np.zeros((b, self.n_classes))one_hot_y[range(len(y)), y] = 1self.grad = one_hot_y * -1 / xreturn np.mean(-one_hot_y * np.log(x), axis=0)def backward(self):return self.grad
2. 单独的Softmax层
from einops import repeat, rearrange, einsum
class Softmax:def __init__(self):def forward(self, x):# x: (b, c)x_exp = np.exp(x)self.output = x_xep / np.sum(x_exp, axis=1, keep_dims=True)return self.outputdef backward(self, prev_grad):b, c = self.output.shapeo = repeat(self.output, 'b c -> b c r', r=c)I = repeat(np.eye(x.shape[1]), 'c1 c2 -> b c1 c2', b=b)self.grad = o * (I - rearrange(o, 'b c1 c2 -> b c2 c1'))return einsum(self.grad, grad[..., None], 'b c c, b c m -> b c m')[..., 0]
3. Linear层
注意更新 w w w时用的 d w d_w dw, 但是往上一层传递的是 d x d_x dx。因为上一层需要 d L / d o u t dL/d_{out} dL/dout, 而本层的输入 x x x即是上一次层的输出 d L / d o u t = d L / d x dL/d_{out} = dL/dx dL/dout=dL/dx
class Linear:def __init__(self, in_channels, out_channels, lr):self.lr = lrself.w = np.random.rand(in_channels, out_channels)self.b = np.random.rand(out_channels)def forward(self, x):self.x = xreturn x@self.w + self.bdef backward(self, grad):dx = einsum(prev_grad, rearrange(self.w, 'w1 w2 -> w2 w1'), 'c1 b, b c2 -> c1 c2')dw = einsum(rearrange(self.x, 'b c -> c b'), prev_grad, 'c1 b, b c2 -> c1 c2')db = np.sum(prev_grad, axis=0)self.w -= self.lr * dwself.b -= self.lr * db"""注意这里往上一层传递的是dx, 因为上一层需要dL/d_out, 而本层的输入x即是上一次层的输出dL/d_out = dL/dx"""return dx
5. 完整训练代码
from einops import *
import numpy as npclass Softmax:def __init__(self, train=True):self.grad = Noneself.train = traindef forward(self, x, y):prob = np.exp(x-np.max(x, axis=1, keepdims=True))prob /= np.sum(prob, axis=1, keepdims=True)if self.train:loss = -np.sum(np.log(prob[range(len(y)), y]))/len(y)self.grad = prob.copy()self.grad[range(len(y)), y] -= 1self.grad /= len(y)return prob, losselse:return probdef backward(self):return self.gradclass Linear:def __init__(self, in_channels, out_channels, lr):self.w = np.random.rand(in_channels, out_channels)self.b = np.random.rand(out_channels)self.lr = lrdef forward(self, x):self.x = xoutput = einsum(x, self.w, 'b c1, c1 c2 -> b c2') + self.breturn outputdef backward(self, prev_grad):cur_grad = einsum(rearrange(self.x, 'b c -> c b'), prev_grad, 'c1 b, b c2 -> c1 c2')self.w -= self.lr * cur_gradself.b -= self.lr * np.sum(prev_grad, axis=0)return cur_gradclass Network:def __init__(self, in_channels, out_channels, n_classes, lr):self.lr = lrself.linear = Linear(in_channels, out_channels, lr)self.softmax = Softmax()def forward(self, x, y=None):out = self.linear.forward(x)out = self.softmax.forward(out, y)return outdef backward(self):grad = self.softmax.backward()grad = self.linear.backward(grad)return gradif __name__ == "__main__":data = np.array([[2, 1, 0],[2, 2, 0],[5, 4, 1],[4, 5, 1],[2, 3, 0],[3, 2, 0],[6, 5, 1],[4, 1, 0],[6, 3, 1],[7, 4, 1]])# x = np.concatenate([np.array([[1]] * data.shape[0]), data[:, :2]], axis=1)x = data[:, :-1]y = data[:, -1:].flatten()net = Network(2, 2, 2, 0.1)# loss_fn = CrossEntropy(n_classes=2)for epoch in range(500):prob, loss = net.forward(x, y)# loss = loss_fn.forward(out, y)# grad_ = loss_fn.backward()grad = net.backward()print(loss)net.softmax.train = Falseprint(net.forward(np.array([[0, 0], [0, 4], [8, 6], [10, 10]])), y)
相关文章:
一步一步用numpy实现神经网络各种层
1. 首先准备一下数据 if __name__ "__main__":data np.array([[2, 1, 0],[2, 2, 0],[5, 4, 1],[4, 5, 1],[2, 3, 0],[3, 2, 0],[6, 5, 1],[4, 1, 0],[6, 3, 1],[7, 4, 1]])x data[:, :-1]y data[:, -1]for epoch in range(1000):...2. 实现SoftmaxCrossEntropy层…...
vue学习(二)
9.vue中的数据代理 通过vm对象来代理data对象中的属性操作(读写),目的是为了更加方便操作data中的数据 基本原理:通过Object.defineProperty()把data对象所有属性添加到vm上,为每一个添加到vm上的属性,都增…...
Maven 介绍
Maven open in new window 官方文档是这样介绍的 Maven 的: Apache Maven is a software project management and comprehension tool. Based on the concept of a project object model (POM), Maven can manage a projects build, reporting and documentation fr…...
QT截图程序三-截取自定义多边形
上一篇文章QT截图程序,可多屏幕截图二,增加调整截图区域功能-CSDN博客描述了如何截取,具备调整边缘功能后已经方便使用了,但是与系统自带的程序相比,似乎没有什么特别,只能截取矩形区域。 如果可以按照自己…...
Unity的三种Update方法
1、FixedUpdate 物理作用——处理物理引擎相关的计算和刚体的移动 (1) 调用时机:在固定的时间间隔内,而不是每一帧被调用 (2) 作用:用于处理物理引擎的计算,例如刚体的移动和碰撞检测 (3) 特点:能更准确地处理物理…...
[Python学习篇] Python字典
字典是一种可变的、无序的键值对(key-value)集合。字典在许多编程(Java中的HashMap)任务中非常有用,因为它们允许快速查找、添加和删除元素。字典使用花括号 {} 表示。字典是可变类型。 语法: 变量 {key1…...
react项目中如何书写css
一:问题: 在 vue 项目中,我们书写css的方式很简单,就是在 .vue文件中写style标签,然后加上scope属性,就可以隔离当前组件的样式,但是在react中,是没有这个东西的,如果直…...
PostgreSQL源码分析——绑定变量
这里分析一下函数中应用绑定变量的问题,但实际应用场景中,不推荐这么使用。 prepare divplan2(int,int) as select div($1,$2); execute divplan2(4,2);语法解析 分别分析prepare语句以及execute语句。 gram.y中定义 /******************************…...
Zynq学习笔记--了解中断配置方式
目录 1. 简介 2. 工程与代码解析 2.1 Vivado 工程 2.2 Vitis 裸机代码 2.3 关键代码解析 3. 总结 1. 简介 Zynq 中的中断可以分为以下几种类型: 软件中断(Software Generated Interrupt, SGI):由软件触发,通常…...
吴恩达机器学习 第二课 week2 多分类问题
目录 01 学习目标 02 实现工具 03 概念与原理 04 应用示例 05 总结 01 学习目标 (1)理解二分类与多分类的原理区别 (2)掌握简单多分类问题的神经网络实现方法 (3)理解多分类问题算法中的激活函数与损失…...
112、路径总和
给你二叉树的根节点 root 和一个表示目标和的整数 targetSum 。判断该树中是否存在 根节点到叶子节点 的路径,这条路径上所有节点值相加等于目标和 targetSum 。如果存在,返回 true ;否则,返回 false 。 叶子节点 是指没有子节点…...
Vue 封装组件之Input框
封装Input组件:MyInput.vue <template><div class"base-input-wraper"><el-inputv-bind"$attrs"v-on"$listeners"class"e-input":style"inputStyle":value"value":size"size"input&quo…...
一段代码让你了解Java中的抽象
我们先来看一道题! 计算几何对象的面积之和)编写一个方法,该方法用于计算数组中所有几何对象的面积之和。该方法的签名是: public static double sumArea(GeometricObject[] a) 编写一个测试程序,该程序创建一个包含四…...
Sping源码(九)—— Bean的初始化(非懒加载)— Bean的创建方式(factoryMethod)
序言 前面文章介绍了在Spring中多种创建Bean实例的方式,包括采用FactoryBean的方式创建对象、使用反射创建对象、自定义BeanFactoryPostProcessor。 这篇文章继续介绍Spring中创建Bean的形式之一——factoryMethod。方法用的不多,感兴趣可以当扩展了解。…...
绝对全网首发,利用Disruptor EventHandler实现在多线程下顺序执行任务
disruptor有两种任务处理器,一个是EventHandler ,另一个是WorkHandler. EventHandler可以彼此独立消费同一个队列中的任务,WorkHandler可以共同竞争消费同一个队列中的任务。也就是说,假设任务队列中有a、b、c、d三个事件,eventHa…...
单例设计模式双重检查的作用
先看双重校验锁的写法 public class Singleton {/*volatile 修饰,singleton new Singleton() 可以拆解为3步:1、分配对象内存(给singleton分配内存)2、调用构造器方法,执行初始化(调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量&am…...
NGINX_十二 nginx 地址重写 rewrite
十二 nginx 地址重写 rewrite 1 什么是Rewrite Rewrite对称URL Rewrite,即URL重写,就是把传入Web的请求重定向到其他URL的过程。URL Rewrite最常见的应用是URL伪静态化,是将动态页面显示为静态页面方式的一种技术。比如 http://www.123.com…...
react用ECharts实现组织架构图
找到ECharts中路径图。 然后开始爆改。 <div id{org- name} style{{ width: 100%, height: 650, display: flex, justifyContent: center }}></div> // data的数据格式 interface ChartData {name: string;value: number;children: ChartData[]; } const treeDep…...
坚持刷题|合并有序链表
文章目录 题目思考代码实现迭代递归 扩展实现k个有序链表合并方法一方法二 PriorityQueue基本操作Java示例注意事项 Hello,大家好,我是阿月。坚持刷题,老年痴呆追不上我,消失了一段时间,我又回来刷题啦,今天…...
SPI协议——对外部SPI Flash操作
目录 1. W25Q32JVSSIQ背景知识 1.1 64个可擦除块 1.2 1024个扇区(每个块有16个扇区) 1.3 页 1. W25Q32JVSSIQ背景知识 W25Q32JV阵列被组织成16,384个可编程页,每页有256字节。一次最多可以编程256个字节。页面可分为16组(4KB扇区清除&…...
使用docker在3台服务器上搭建基于redis 6.x的一主两从三台均是哨兵模式
一、环境及版本说明 如果服务器已经安装了docker,则忽略此步骤,如果没有安装,则可以按照一下方式安装: 1. 在线安装(有互联网环境): 请看我这篇文章 传送阵>> 点我查看 2. 离线安装(内网环境):请看我这篇文章 传送阵>> 点我查看 说明:假设每台服务器已…...
XML Group端口详解
在XML数据映射过程中,经常需要对数据进行分组聚合操作。例如,当处理包含多个物料明细的XML文件时,可能需要将相同物料号的明细归为一组,或对相同物料号的数量进行求和计算。传统实现方式通常需要编写脚本代码,增加了开…...
web vue 项目 Docker化部署
Web 项目 Docker 化部署详细教程 目录 Web 项目 Docker 化部署概述Dockerfile 详解 构建阶段生产阶段 构建和运行 Docker 镜像 1. Web 项目 Docker 化部署概述 Docker 化部署的主要步骤分为以下几个阶段: 构建阶段(Build Stage):…...
Cursor实现用excel数据填充word模版的方法
cursor主页:https://www.cursor.com/ 任务目标:把excel格式的数据里的单元格,按照某一个固定模版填充到word中 文章目录 注意事项逐步生成程序1. 确定格式2. 调试程序 注意事项 直接给一个excel文件和最终呈现的word文件的示例,…...
ssc377d修改flash分区大小
1、flash的分区默认分配16M、 / # df -h Filesystem Size Used Available Use% Mounted on /dev/root 1.9M 1.9M 0 100% / /dev/mtdblock4 3.0M...
YSYX学习记录(八)
C语言,练习0: 先创建一个文件夹,我用的是物理机: 安装build-essential 练习1: 我注释掉了 #include <stdio.h> 出现下面错误 在你的文本编辑器中打开ex1文件,随机修改或删除一部分,之后…...
Matlab | matlab常用命令总结
常用命令 一、 基础操作与环境二、 矩阵与数组操作(核心)三、 绘图与可视化四、 编程与控制流五、 符号计算 (Symbolic Math Toolbox)六、 文件与数据 I/O七、 常用函数类别重要提示这是一份 MATLAB 常用命令和功能的总结,涵盖了基础操作、矩阵运算、绘图、编程和文件处理等…...
如何理解 IP 数据报中的 TTL?
目录 前言理解 前言 面试灵魂一问:说说对 IP 数据报中 TTL 的理解?我们都知道,IP 数据报由首部和数据两部分组成,首部又分为两部分:固定部分和可变部分,共占 20 字节,而即将讨论的 TTL 就位于首…...
Typeerror: cannot read properties of undefined (reading ‘XXX‘)
最近需要在离线机器上运行软件,所以得把软件用docker打包起来,大部分功能都没问题,出了一个奇怪的事情。同样的代码,在本机上用vscode可以运行起来,但是打包之后在docker里出现了问题。使用的是dialog组件,…...
听写流程自动化实践,轻量级教育辅助
随着智能教育工具的发展,越来越多的传统学习方式正在被数字化、自动化所优化。听写作为语文、英语等学科中重要的基础训练形式,也迎来了更高效的解决方案。 这是一款轻量但功能强大的听写辅助工具。它是基于本地词库与可选在线语音引擎构建,…...
