python 使用Tensorflow训练BP神经网络实现鸢尾花分类

Hello,兄弟们，开始搞深度学习了，今天出第一篇博客，小白一枚，如果发现错误请及时指正，万分感谢。

Python 3.8，Tensorflow2.0

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。

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。

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。

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。

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0.1b1 = 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0.1epoch = 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batchwith 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_gradw1.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, 0for 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_numberacc = total_correct / total_numberprint('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) + b1y = 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：

以上就是全部内容，鸢尾花分类作为经典案例，应该重点掌握理解。有一起学习的伙伴可以把想法打在评论区，大家多多交流，我也会及时回复的！

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