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python 使用Tensorflow训练BP神经网络实现鸢尾花分类

作者：你，好　　发布时间：2023-04-15 13:29:00　

标签：python,Tensorflow,鸢尾花分类,BP神经网络

使用软件

Python 3.8，Tensorflow2.0

问题描述

鸢尾花主要分为狗尾草鸢尾(0)、杂色鸢尾(1)、弗吉尼亚鸢尾(2)。
人们发现通过计算鸢尾花的花萼长、花萼宽、花瓣长、花瓣宽可以将鸢尾花分类。
所以只要给出足够多的鸢尾花花萼、花瓣数据，以及对应种类，使用合适的神经网络训练，就可以实现鸢尾花分类。

搭建神经网络

输入数据是花萼长、花萼宽、花瓣长、花瓣宽，是n行四列的矩阵。
而输出的是每个种类的概率，是n行三列的矩阵。
我们采用BP神经网络，设X为输入数据，Y为输出数据，W为权重，B偏置。有

y=x∗w+b

因为x为n行四列的矩阵，y为n行三列的矩阵，所以w必须为四行三列的矩阵，每个神经元对应一个b，所以b为一行三列的的矩阵。
神经网络如下图。

所以，只要找到合适的w和b，就能准确判断鸢尾花的种类。
下面就开始对这两个参数进行训练。

训练参数

损失函数

损失函数表达的是预测值(y*)和真实值(y)的差距，我们采用均方误差公式作为损失函数。

损失函数值越小，说明预测值和真实值越接近，w和b就越合适。
如果人来一组一组试，那肯定是不行的。所以我们采用梯度下降算法来找到损失函数最小值。
梯度：对函数求偏导的向量。梯度下降的方向就是函数减少的方向。

其中a为学习率，即梯度下降的步长，如果a太大，就可能错过最优值，如果a太小，则就需要更多步才能找到最优值。所以选择合适的学习率很关键。

参数优化

通过反向传播来优化参数。
反向传播：从后向前，逐层求损失函数对每层神经元参数的偏导数，迭代更新所有参数。
比如

可以看到w会逐渐趋向于loss的最小值0。
以上就是我们训练的全部关键点。

代码

数据集

我们使用sklearn包提供的鸢尾花数据集。共150组数据。
打乱保证数据的随机性，取前120个为训练集，后30个为测试集。

# 导入数据，分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data ## 存花萼、花瓣特征数据
y_data = datasets.load_iris().target # 存对应种类
# 随机打乱数据（因为原始数据是顺序的，顺序不打乱会影响准确率）
# seed: 随机数种子，是一个整数，当设置之后，每次生成的随机数都一样（为方便教学，以保每位同学结果一致）
np.random.seed(116) # 使用相同的seed，保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集，训练集为前120行，测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 转换x的数据类型，否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。（把数据集分批次，每个批次batch组数据）
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

参数

# 生成神经网络的参数，4个输入特征故，输入层为4个输入节点；因为3分类，故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1)) # 四行三列,方差为0.1
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1)) # 一行三列,方差为0.1

训练

a = 0.1 # 学习率为0.1
epoch = 500 # 循环500轮
# 训练部分
for epoch in range(epoch): # 数据集级别的循环，每个epoch循环一次数据集
for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db): # batch级别的循环，每个step循环一个batch
with tf.GradientTape() as tape: # with结构记录梯度信息
y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 # 神经网络乘加运算
y = tf.nn.softmax(y) # 使输出y符合概率分布
y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3) # 将标签值转换为独热码格式，方便计算loss
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y)) # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-y*)^2)
# 计算loss对w, b的梯度
grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
# 实现梯度更新 w1 = w1 - lr * w1_grad b = b - lr * b_grad
w1.assign_sub(a * grads[0]) # 参数w1自更新
b1.assign_sub(a * grads[1]) # 参数b自更新

测试

# 测试部分
total_correct, total_number = 0, 0
for x_test, y_test in test_db:
# 前向传播求概率
y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
y = tf.nn.softmax(y)
predict = tf.argmax(y, axis=1) # 返回y中最大值的索引，即预测的分类
# 将predict转换为y_test的数据类型
predict = tf.cast(predict, dtype=y_test.dtype)
# 若分类正确，则correct=1，否则为0，将bool型的结果转换为int型
correct = tf.cast(tf.equal(predict, y_test), dtype=tf.int32)
# 将每个batch的correct数加起来
correct = tf.reduce_sum(correct)
# 将所有batch中的correct数加起来
total_correct += int(correct)
# total_number为测试的总样本数，也就是x_test的行数，shape[0]返回变量的行数
total_number += x_test.shape[0]
# 总的准确率等于total_correct/total_number
acc = total_correct / total_number
print("测试准确率 = ％.2f ％％" ％ (acc * 100.0))
my_test = np.array([[5.9, 3.0, 5.1, 1.8]])
print("输入 5.9 3.0 5.1 1.8")
my_test = tf.convert_to_tensor(my_test)
my_test = tf.cast(my_test, tf.float32)
y = tf.matmul(my_test, w1) + b1
y = tf.nn.softmax(y)
species = {0: "狗尾鸢尾", 1: "杂色鸢尾", 2: "弗吉尼亚鸢尾"}
predict = np.array(tf.argmax(y, axis=1))[0] # 返回y中最大值的索引，即预测的分类
print("该鸢尾花为：" + species.get(predict))

结果：

结语

来源：https://blog.csdn.net/weixin_44653914/article/details/116517033

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