多层神经网络与C++实现
BP理论部分参考:http://blog.csdn.net/itplus/article/details/11022243
参考http://www.cnblogs.com/ronny/p/ann_02.html#!comments,结合BP算法的理论部分,可以真正理解了ANN。
代码部分我加了部分注释
- #include<vector>
- using namespace std;
- //单个连接线
- class NNconnection
- {
- public:
- //两个索引,一个与该结点相连(前一层)的前一层结点的索引,
- //一个对应的权值索引在整个单层网络中权值向量中的索引
- unsigned weightIdx;
- unsigned neuralIdx;
- };
- //单个神经元,包括一个输出和多个连接线
- class NNneural
- {
- public:
- double output;//输出
- vector<NNconnection> m_connection;
- };
- //单层网络
- class NNlayer
- {
- public:
- NNlayer *preLayer;//该层网络的前一层
- NNlayer(){ preLayer = NULL; }
- vector<NNneural> m_neurals;//每层网络多个神经元
- vector<double> m_weights;//权值向量
- //加多少个神经元,及经前一层神经元的个数
- void addNeurals(unsigned num, unsigned preNumNeurals);
- //反向传播
- void backPropagate(vector<double>& ,vector<double>&,double);
- };
- class NeuralNetwork
- {
- private:
- unsigned nLayer;//网络层数
- vector<unsigned> nodes;//每层的结点数
- vector<double> actualOutput;//每次迭代的输出结果
- double etaLearningRate;//权值学习率
- unsigned iterNum;//迭代次数
- public:
- vector<NNlayer*>m_layers;//由多个单层网络组成
- //创建网络,第二个参数为[48,25,30],则表明该网络有三层,每层结点数分别为48,25,30
- void create(unsigned num_layers, unsigned *ar_nodes);
- void initializeNetwork();//初始化网络,包括权值设置等
- void forwardCalculate(vector<double> &invect, vector<double> &outvect);//向前计算
- void backPropagate(vector<double>& tVect, vector<double>& oVect);//反向传播
- void train(vector<vector<double>>& inputVec, vector<vector<double>>& outputVec);//训练
- void classifier(vector<vector<double>>& inputVec, vector<vector<double>>& outputVec);//分类
- };
- void NeuralNetwork::initializeNetwork()
- {
- //初始化网络,创建各层和各层结点,初始化权值
- // i为何如此定义?
- for (vector<NNlayer*>::size_type i = ; i != nLayer; i++)
- {
- NNlayer *ptrLayer = new NNlayer;
- if (i == )
- {
- ptrLayer->addNeurals(nodes[i], );//第一层之前的结点数为0
- }
- else
- {
- ptrLayer->preLayer = m_layers[i - ];
- //每个神经元的初值包括与前一层神经元的连接索引和该层权重索引
- ptrLayer->addNeurals(nodes[i], nodes[i - ]);
- //连结权重个数
- unsigned num_weights = nodes[i] * (nodes[i - ] + );//+bias
- //初始化权重
- for (vector<NNlayer*>::size_type k = ; k != num_weights; k++)
- {
- ptrLayer->m_weights.push_back(0.05*rand() / RAND_MAX);//0~0.05
- }
- }
- m_layers.push_back(ptrLayer);
- }
- }
- void NNlayer::addNeurals(unsigned num, unsigned preNumNeural)
- {
- for (vector<NNneural>::size_type i = ; i != num; i++)
- {
- NNneural sneural;
- sneural.output = ;
- for (vector<NNconnection>::size_type k = ; k != preNumNeural; k++)
- {
- NNconnection sconnection;
- //给该神经元加上连接索引和权值索引
- sconnection.weightIdx = i*(preNumNeural + ) + k;//加1给偏置留一个索引位置
- sconnection.neuralIdx = k;
- sneural.m_connection.push_back(sconnection);
- }
- m_neurals.push_back(sneural);
- }
- }
- void NeuralNetwork::forwardCalculate(vector<double> &invect, vector<double> &outvect)
- {
- actualOutput.clear();
- vector<NNlayer*>::iterator layerIt = m_layers.begin();
- while (layerIt != m_layers.end())
- {
- if (layerIt == m_layers.begin())
- {
- for (vector<NNneural>::size_type k = ; k != (*layerIt)->m_neurals.size(); k++)
- {
- //对第一层的神经元来说,输出即为输入
- (*layerIt)->m_neurals[k].output = invect[k];
- }
- }
- else
- {
- vector<NNneural>::iterator neuralIt = (*layerIt)->m_neurals.begin();
- int neuralIdx = ;
- while (neuralIt != (*layerIt)->m_neurals.end())
- {
- //每个神经元的连接线数
- vector<NNconnection>::size_type num_connection = (*neuralIt).m_connection.size();
- //偏置
- double dsum = (*layerIt)->m_weights[num_connection*(neuralIdx + ) - ];
- for (vector<NNconnection>::size_type i = ; i != num_connection; i++)
- {
- //sum=sum+w*x;
- unsigned wgtIdx = (*neuralIt).m_connection[i].weightIdx;
- unsigned neuralIdx = (*neuralIt).m_connection[i].neuralIdx;
- dsum += (*layerIt)->preLayer->m_neurals[neuralIdx].output*
- (*layerIt)->m_weights[wgtIdx];
- }
- neuralIt->output = SIGMOID(dsum);
- neuralIt++;//下一个神经元
- neuralIdx++;//每个神经元的偏置不同
- }
- }
- layerIt++;//下一层网络
- }
- //将最后一层的结果保存至输出
- NNlayer * lastLayer = m_layers[m_layers.size() - ];
- vector<NNneural>::iterator neuralIt = lastLayer->m_neurals.begin();
- while (neuralIt != lastLayer->m_neurals.end())
- {
- outvect.push_back(neuralIt->output);
- neuralIt++;
- }
- }
- void NeuralNetwork::backPropagate(vector<double>& tVect, vector<double>& oVect)
- {
- //首先取得最后一层迭代器
- vector<NNlayer *>::iterator lit = m_layers.end() - ;
- //用于保存最后一层所有结点误差
- vector<double> dErrWrtDxLast((*lit)->m_neurals.size());
- for (vector<NNneural>::size_type i = ; i != (*lit)->m_neurals.size(); i++)
- {
- dErrWrtDxLast[i]=oVect[i] - tVect[i];
- }
- //所有层的误差
- vector<vector<double>> diffVect(nLayer);
- diffVect[nLayer - ] = dErrWrtDxLast;
- //先将其他层误差设为0
- for (unsigned int i = ; i < nLayer - ; i++)
- {
- //每层误差的个数要与神经元相等
- diffVect[i].resize(m_layers[i]->m_neurals.size(), 0.0);
- }
- vector<NNlayer>::size_type i = m_layers.size() - ;
- //对每一层调用BP算法,第一个参数为第i层输出误差
- //第二个参数可作为下次调用的返回值
- for (lit; lit>m_layers.begin(); lit--)
- {
- (*lit)->backPropagate(diffVect[i], diffVect[i - ], etaLearningRate);
- i--;
- }
- diffVect.clear();
- }
- void NNlayer::backPropagate(vector<double>& dErrWrtDxn, vector<double>& dErrWrtDxnm, double eta)
- {
- //三个参数分别代表第i层的误差,第i-1层的误差,学习速率
- //计算每个神经元的误差
- double output;
- vector<double> dErrWrtDyn(dErrWrtDxn.size());//每个神经元的残差
- for (vector<NNneural>::size_type i = ; i != m_neurals.size(); i++)
- {
- output = m_neurals[i].output;
- //计算第i层的残差,对于输出层,dErrWrtDxn表示误差,对于
- //其他层,dErrWrtDxn表示w*(i+1层残差)
- dErrWrtDyn[i] = DSIGMOD(output)*dErrWrtDxn[i];
- }
- //计算每个w的偏导数
- unsigned ii();
- vector<NNneural>::iterator nit = m_neurals.begin();
- vector<double> dErrWrtDwn(m_weights.size(), );
- while (nit != m_neurals.end())
- {
- //对于每个神经元
- for (vector<NNconnection>::size_type k = ; k != (*nit).m_connection.size(); k++)
- {
- //对于每个权重连接
- if (k == (*nit).m_connection.size() - )
- output = ;//如果是偏置,则为1
- else//与该权重相连的前一层神经元的输出
- output = preLayer->m_neurals[(*nit).m_connection[k].neuralIdx].output;
- //计算该权重的偏导数值(随着迭代的进行,偏导也是逐渐累加的)
- dErrWrtDwn[((*nit).m_connection[k].weightIdx)] += output*dErrWrtDyn[ii];
- }
- nit++;
- ii++;
- }
- //dErrWrtDxnm作为下一层的dErrWrtDxn,用于计算残差
- unsigned j();
- nit = m_neurals.begin();
- while (nit != m_neurals.end())
- {
- for (vector<NNconnection>::size_type k = ; k != (*nit).m_connection.size()-; k++)
- {
- dErrWrtDxnm[(*nit).m_connection[k].neuralIdx] += dErrWrtDyn[j] *
- m_weights[(*nit).m_connection[k].weightIdx];
- }
- j++;
- nit++;
- }
- for (vector<double>::size_type i = ; i != m_weights.size(); i++)
- {
- m_weights[i] -= eta*dErrWrtDwn[i];
- }
- }
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