Как правильно реализовать обратное распространение для машинного обучения набора данных MNIST?

Итак, я использую книгу Майкла Нильсона по машинному обучению в качестве справочника для своего кода (он в основном идентичен): http://neuralnetworksanddeeplearning.com/chap1.html

Рассматриваемый код:

    def backpropagate(self, image, image_value) :


        # declare two new numpy arrays for the updated weights & biases
        new_biases = [np.zeros(bias.shape) for bias in self.biases]
        new_weights = [np.zeros(weight_matrix.shape) for weight_matrix in self.weights]

        # -------- feed forward --------
        # store all the activations in a list
        activations = [image]

        # declare empty list that will contain all the z vectors
        zs = []
        for bias, weight in zip(self.biases, self.weights) :
            print(bias.shape)
            print(weight.shape)
            print(image.shape)
            z = np.dot(weight, image) + bias
            zs.append(z)
            activation = sigmoid(z)
            activations.append(activation)

        # -------- backward pass --------
        # transpose() returns the numpy array with the rows as columns and columns as rows
        delta = self.cost_derivative(activations[-1], image_value) * sigmoid_prime(zs[-1])
        new_biases[-1] = delta
        new_weights[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose())

        # l = 1 means the last layer of neurons, l = 2 is the second-last, etc.
        # this takes advantage of Python's ability to use negative indices in lists
        for l in range(2, self.num_layers) :
            z = zs[-1]
            sp = sigmoid_prime(z)
            delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp
            new_biases[-l] = delta
            new_weights[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose())
        return (new_biases, new_weights)

Мой алгоритм может достичь только первого раунда обратного распространения ошибки, прежде чем возникнет эта ошибка:

  File "D:/Programming/Python/DPUDS/DPUDS_Projects/Fall_2017/MNIST/network.py", line 97, in stochastic_gradient_descent
    self.update_mini_batch(mini_batch, learning_rate)
  File "D:/Programming/Python/DPUDS/DPUDS_Projects/Fall_2017/MNIST/network.py", line 117, in update_mini_batch
    delta_biases, delta_weights = self.backpropagate(image, image_value)
  File "D:/Programming/Python/DPUDS/DPUDS_Projects/Fall_2017/MNIST/network.py", line 160, in backpropagate
    z = np.dot(weight, activation) + bias
ValueError: shapes (30,50000) and (784,1) not aligned: 50000 (dim 1) != 784 (dim 0)

Я понимаю, почему это ошибка. Количество столбцов в весах не соответствует количеству строк в пиксельном изображении, поэтому я не могу выполнить матричное умножение. Вот где я запутался - в обратном распространении используется 30 нейронов, каждый из которых оценивает 50 000 изображений. Насколько я понимаю, к каждому из 50 000 должно быть прикреплено 784 веса, по одному для каждого пикселя. Но когда я соответствующим образом изменяю код:

        count = 0
        for bias, weight in zip(self.biases, self.weights) :
            print(bias.shape)
            print(weight[count].shape)
            print(image.shape)
            z = np.dot(weight[count], image) + bias
            zs.append(z)
            activation = sigmoid(z)
            activations.append(activation)
            count += 1

У меня все еще появляется аналогичная ошибка:

ValueError: shapes (50000,) and (784,1) not aligned: 50000 (dim 0) != 784 (dim 0)

Я просто сбит с толку всей задействованной линейной алгеброй и думаю, что мне просто не хватает структуры весовой матрицы. Любая помощь будет принята с благодарностью.


person Eli    schedule 20.10.2017    source источник


Ответы (2)


Похоже, проблема в ваших изменениях исходного кода.

Я скачал пример по предоставленной вами ссылке, и он работает без ошибок:  введите описание изображения здесь

Вот полный исходный код, который я использовал:

import cPickle
import gzip
import numpy as np
import random

def load_data():
    """Return the MNIST data as a tuple containing the training data,
    the validation data, and the test data.
    The ``training_data`` is returned as a tuple with two entries.
    The first entry contains the actual training images.  This is a
    numpy ndarray with 50,000 entries.  Each entry is, in turn, a
    numpy ndarray with 784 values, representing the 28 * 28 = 784
    pixels in a single MNIST image.
    The second entry in the ``training_data`` tuple is a numpy ndarray
    containing 50,000 entries.  Those entries are just the digit
    values (0...9) for the corresponding images contained in the first
    entry of the tuple.
    The ``validation_data`` and ``test_data`` are similar, except
    each contains only 10,000 images.
    This is a nice data format, but for use in neural networks it's
    helpful to modify the format of the ``training_data`` a little.
    That's done in the wrapper function ``load_data_wrapper()``, see
    below.
    """
    f = gzip.open('../data/mnist.pkl.gz', 'rb')
    training_data, validation_data, test_data = cPickle.load(f)
    f.close()
    return (training_data, validation_data, test_data)

def load_data_wrapper():
    """Return a tuple containing ``(training_data, validation_data,
    test_data)``. Based on ``load_data``, but the format is more
    convenient for use in our implementation of neural networks.
    In particular, ``training_data`` is a list containing 50,000
    2-tuples ``(x, y)``.  ``x`` is a 784-dimensional numpy.ndarray
    containing the input image.  ``y`` is a 10-dimensional
    numpy.ndarray representing the unit vector corresponding to the
    correct digit for ``x``.
    ``validation_data`` and ``test_data`` are lists containing 10,000
    2-tuples ``(x, y)``.  In each case, ``x`` is a 784-dimensional
    numpy.ndarry containing the input image, and ``y`` is the
    corresponding classification, i.e., the digit values (integers)
    corresponding to ``x``.
    Obviously, this means we're using slightly different formats for
    the training data and the validation / test data.  These formats
    turn out to be the most convenient for use in our neural network
    code."""
    tr_d, va_d, te_d = load_data()
    training_inputs = [np.reshape(x, (784, 1)) for x in tr_d[0]]
    training_results = [vectorized_result(y) for y in tr_d[1]]
    training_data = zip(training_inputs, training_results)
    validation_inputs = [np.reshape(x, (784, 1)) for x in va_d[0]]
    validation_data = zip(validation_inputs, va_d[1])
    test_inputs = [np.reshape(x, (784, 1)) for x in te_d[0]]
    test_data = zip(test_inputs, te_d[1])
    return (training_data, validation_data, test_data)

def vectorized_result(j):
    """Return a 10-dimensional unit vector with a 1.0 in the jth
    position and zeroes elsewhere.  This is used to convert a digit
    (0...9) into a corresponding desired output from the neural
    network."""
    e = np.zeros((10, 1))
    e[j] = 1.0
    return e

class Network(object):

    def __init__(self, sizes):
        """The list ``sizes`` contains the number of neurons in the
        respective layers of the network.  For example, if the list
        was [2, 3, 1] then it would be a three-layer network, with the
        first layer containing 2 neurons, the second layer 3 neurons,
        and the third layer 1 neuron.  The biases and weights for the
        network are initialized randomly, using a Gaussian
        distribution with mean 0, and variance 1.  Note that the first
        layer is assumed to be an input layer, and by convention we
        won't set any biases for those neurons, since biases are only
        ever used in computing the outputs from later layers."""
        self.num_layers = len(sizes)
        self.sizes = sizes
        self.biases = [np.random.randn(y, 1) for y in sizes[1:]]
        self.weights = [np.random.randn(y, x)
                        for x, y in zip(sizes[:-1], sizes[1:])]

    def feedforward(self, a):
        """Return the output of the network if ``a`` is input."""
        for b, w in zip(self.biases, self.weights):
            a = sigmoid(np.dot(w, a)+b)
        return a

    def SGD(self, training_data, epochs, mini_batch_size, eta,
            test_data=None):
        """Train the neural network using mini-batch stochastic
        gradient descent.  The ``training_data`` is a list of tuples
        ``(x, y)`` representing the training inputs and the desired
        outputs.  The other non-optional parameters are
        self-explanatory.  If ``test_data`` is provided then the
        network will be evaluated against the test data after each
        epoch, and partial progress printed out.  This is useful for
        tracking progress, but slows things down substantially."""
        if test_data: n_test = len(test_data)
        n = len(training_data)
        for j in xrange(epochs):
            random.shuffle(training_data)
            mini_batches = [
                training_data[k:k+mini_batch_size]
                for k in xrange(0, n, mini_batch_size)]
            for mini_batch in mini_batches:
                self.update_mini_batch(mini_batch, eta)
            if test_data:
                print "Epoch {0}: {1} / {2}".format(
                    j, self.evaluate(test_data), n_test)
            else:
                print "Epoch {0} complete".format(j)

    def update_mini_batch(self, mini_batch, eta):
        """Update the network's weights and biases by applying
        gradient descent using backpropagation to a single mini batch.
        The ``mini_batch`` is a list of tuples ``(x, y)``, and ``eta``
        is the learning rate."""
        nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases]
        nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights]
        for x, y in mini_batch:
            delta_nabla_b, delta_nabla_w = self.backprop(x, y)
            nabla_b = [nb+dnb for nb, dnb in zip(nabla_b, delta_nabla_b)]
            nabla_w = [nw+dnw for nw, dnw in zip(nabla_w, delta_nabla_w)]
        self.weights = [w-(eta/len(mini_batch))*nw
                        for w, nw in zip(self.weights, nabla_w)]
        self.biases = [b-(eta/len(mini_batch))*nb
                       for b, nb in zip(self.biases, nabla_b)]

    def backprop(self, x, y):
        """Return a tuple ``(nabla_b, nabla_w)`` representing the
        gradient for the cost function C_x.  ``nabla_b`` and
        ``nabla_w`` are layer-by-layer lists of numpy arrays, similar
        to ``self.biases`` and ``self.weights``."""
        nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases]
        nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights]
        # feedforward
        activation = x
        activations = [x] # list to store all the activations, layer by layer
        zs = [] # list to store all the z vectors, layer by layer
        for b, w in zip(self.biases, self.weights):
            z = np.dot(w, activation)+b
            zs.append(z)
            activation = sigmoid(z)
            activations.append(activation)
        # backward pass
        delta = self.cost_derivative(activations[-1], y) * \
            sigmoid_prime(zs[-1])
        nabla_b[-1] = delta
        nabla_w[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose())
        # Note that the variable l in the loop below is used a little
        # differently to the notation in Chapter 2 of the book.  Here,
        # l = 1 means the last layer of neurons, l = 2 is the
        # second-last layer, and so on.  It's a renumbering of the
        # scheme in the book, used here to take advantage of the fact
        # that Python can use negative indices in lists.
        for l in xrange(2, self.num_layers):
            z = zs[-l]
            sp = sigmoid_prime(z)
            delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp
            nabla_b[-l] = delta
            nabla_w[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose())
        return (nabla_b, nabla_w)

    def evaluate(self, test_data):
        """Return the number of test inputs for which the neural
        network outputs the correct result. Note that the neural
        network's output is assumed to be the index of whichever
        neuron in the final layer has the highest activation."""
        test_results = [(np.argmax(self.feedforward(x)), y)
                        for (x, y) in test_data]
        return sum(int(x == y) for (x, y) in test_results)

    def cost_derivative(self, output_activations, y):
        """Return the vector of partial derivatives \partial C_x /
        \partial a for the output activations."""
        return (output_activations-y)

#### Miscellaneous functions
def sigmoid(z):
    """The sigmoid function."""
    return 1.0/(1.0+np.exp(-z))

def sigmoid_prime(z):
    """Derivative of the sigmoid function."""
    return sigmoid(z)*(1-sigmoid(z))

training_data, validation_data, test_data = load_data_wrapper()
net = Network([784, 30, 10])
net.SGD(training_data, 30, 10, 3.0, test_data=test_data)

Дополнительная информация:

Однако я бы порекомендовал использовать, например, один из существующих фреймворков - Keras, чтобы не изобретать велосипед.

Кроме того, это было проверено с помощью python 3.6:  введите описание изображения здесь

person Stepan Novikov    schedule 21.10.2017
comment
Спасибо. Кроме того, единственная причина, по которой я пытаюсь заставить этот код работать, заключается в том, что я пытаюсь понять фактические механизмы, лежащие в основе нейронных сетей, и понять, почему он работает именно так. Я также должен быть в состоянии объяснить это клубу данных, членом которого я являюсь. После того, как я получу эту работу, я перейду к существующим фреймворкам, возможно, к tenorflow. - person Eli; 22.10.2017
comment
Хорошо, поэтому я снова просмотрел код, и он буквально все тот же, помимо измененных имен переменных и обновленной совместимости для Python 3 (ваш код - Python 2). По-прежнему возникает эта ошибка: \ n delta = np.dot (self.weights [-l + 1] .transpose (), delta) * sp ValueError: операнды не могут быть переданы вместе с фигурами (30,1) (10,1 Не могли бы вы просмотреть мой код и посмотреть, не упустил ли я что-то не очень очевидное? Репо: github.com/elijahanderson/DPUDS_Projects/tree/master/Fall_2017/ - person Eli; 22.10.2017
comment
@Eli: Я проверил код по ссылке, и он работает правильно, по крайней мере, в моей среде с python 2.7. После этого я проверил код с помощью python 3.6 (см. Скриншот, добавленный к моему ответу) - тоже отлично работает. Я не уверен, что именно это вызвало указанную вами ошибку в вашей среде, возможно, неправильная версия некоторых пакетов или неправильная конфигурация. Не могли бы вы попробовать обновить или переустановить нестандартный пакет? Если это не поможет, я бы порекомендовал переустановить среду Python со всеми пакетами. - person Stepan Novikov; 23.10.2017
comment
Так странно! Спасибо за это, Степан. В итоге я просто переделал проект (не сложно, в основном просто скопировал вставку), и он работал отлично. Если я делал что-то иначе, чем в первый раз, то я этого не замечал. Очень странно. - person Eli; 25.10.2017
comment
@StepanNovikov этот код не работает с Python3.5 на моей машине. - person flamelite; 13.12.2017
comment
@flamelite Это странно, потому что у меня он работает с Python 3.6. Не могли бы вы предоставить дополнительную информацию о вашей ошибке, чтобы я мог ее проверить? - person Stepan Novikov; 13.12.2017
comment
У меня возникла проблема, я внес некоторые изменения для загрузки данных в Python3, изменил training_data = list (zip (training_inputs, training_results), поскольку в Python 3.x zip возвращает объект-генератор), а после этого я печатал training_data, которые не выдает ошибок, но мой интерпретатор застрял в строке print (). - person flamelite; 14.12.2017

Престижность при изучении кода Нильсена. Это отличный ресурс для глубокого понимания принципов NN. Слишком много людей прыгают в Керас, не зная, что происходит под капотом.

Каждый тренировочный пример не имеет собственных весов. Каждая из 784 функций выполняет. Если бы каждый пример имел свои собственные веса, то каждый набор весов соответствовал бы соответствующему обучающему примеру. Кроме того, если вы позже использовали свою обученную сеть для выполнения логического вывода на одном тестовом примере, что бы она делала с 50 000 наборов весов, когда они представлены только одной рукописной цифрой? Вместо этого каждый из 30 нейронов скрытого слоя изучает набор из 784 весов, по одному на каждый пиксель, что обеспечивает высокую точность прогнозов при обобщении на любую рукописную цифру.

Импортируйте network.py и создайте экземпляр класса Network, как это, без изменения кода:

net = network.Network([784, 30, 10])

.. что дает вам сеть с 784 входными нейронами, 30 скрытыми нейронами и 10 выходными нейронами. Ваши весовые матрицы будут иметь размеры [30, 784] и [10, 30] соответственно. Когда вы подаете в сеть входной массив измерений [784, 1], матричное умножение, которое дало вам ошибку, является допустимым, потому что dim 1 матрицы весов равно dim 0 входного массива (оба 784).

Ваша проблема заключается не в реализации обратного распространения, а в настройке сетевой архитектуры, соответствующей форме ваших входных данных. Если мне не изменяет память, Нильсен оставляет backprop как черный ящик в главе 1 и не углубляется в него до главы 2. Продолжайте и удачи!

person jklaus    schedule 22.10.2017