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我正在尝试学习神经网络并编写一个简单的反向传播神经网络,该网络使用 sigmoid 激活函数、随机权重初始化和学习/梯度动量。

当配置有 2 个输入、2 个隐藏节点和 1 个时,它无法学习 XOR 和 AND。但是,它将正确学习 OR。

我看不到我做错了什么,所以任何帮助将不胜感激。

谢谢

编辑:如前所述,我使用 2 个隐藏节点进行了测试,但下面的代码显示配置为 3。在使用 3 个隐藏节点运行测试后,我只是忘记将其更改回 2。

网络.rb:

module Neural

class Network

    attr_accessor :num_inputs, :num_hidden_nodes, :num_output_nodes, :input_weights, :hidden_weights, :hidden_nodes, 
                    :output_nodes, :inputs, :output_error_gradients, :hidden_error_gradients,
                    :previous_input_weight_deltas, :previous_hidden_weight_deltas

    def initialize(config)
        initialize_input(config)
        initialize_nodes(config)
        initialize_weights
    end

    def initialize_input(config)
        self.num_inputs = config[:inputs]
        self.inputs = Array.new(num_inputs+1)
        self.inputs[-1] = -1
    end

    def initialize_nodes(config)
        self.num_hidden_nodes = config[:hidden_nodes]
        self.num_output_nodes = config[:output_nodes]
        # treat threshold as an additional input/hidden node with no incoming inputs and a value of -1
        self.output_nodes = Array.new(num_output_nodes)
        self.hidden_nodes = Array.new(num_hidden_nodes+1)
        self.hidden_nodes[-1] = -1
    end

    def initialize_weights
        # treat threshold as an additional input/hidden node with no incoming inputs and a value of -1
        self.input_weights = Array.new(hidden_nodes.size){Array.new(num_inputs+1)}
        self.hidden_weights = Array.new(output_nodes.size){Array.new(num_hidden_nodes+1)}
        set_random_weights(input_weights)
        set_random_weights(hidden_weights)
        self.previous_input_weight_deltas = Array.new(hidden_nodes.size){Array.new(num_inputs+1){0}}
        self.previous_hidden_weight_deltas = Array.new(output_nodes.size){Array.new(num_hidden_nodes+1){0}}
    end

    def set_random_weights(weights)
        (0...weights.size).each do |i|
            (0...weights[i].size).each do |j|
                weights[i][j] = (rand(100) - 49).to_f / 100
            end
        end
    end

    def calculate_node_values(inputs)
        inputs.each_index do |i|
            self.inputs[i] = inputs[i]
        end

        set_node_values(self.inputs, input_weights, hidden_nodes)
        set_node_values(hidden_nodes, hidden_weights, output_nodes)
    end

    def set_node_values(values, weights, nodes)
        (0...weights.size).each do |i|
            nodes[i] = Network::sigmoid(values.zip(weights[i]).map{|v,w| v*w}.inject(:+))
        end
    end

    def predict(inputs)
        calculate_node_values(inputs)
        output_nodes.size == 1 ? output_nodes[0] : output_nodes
    end

    def train(inputs, desired_results, learning_rate, momentum_rate)
        calculate_node_values(inputs)
        backpropogate_weights(desired_results, learning_rate, momentum_rate)
    end

    def backpropogate_weights(desired_results, learning_rate, momentum_rate)
        output_error_gradients = calculate_output_error_gradients(desired_results)
        hidden_error_gradients = calculate_hidden_error_gradients(output_error_gradients)
        update_all_weights(inputs, desired_results, hidden_error_gradients, output_error_gradients, learning_rate, momentum_rate)
    end

    def self.sigmoid(x)
        1.0 / (1 + Math::E**-x)
    end

    def self.dsigmoid(x)
        sigmoid(x) * (1 - sigmoid(x))
    end

    def calculate_output_error_gradients(desired_results)
        desired_results.zip(output_nodes).map{|desired, result| (desired - result) * Network::dsigmoid(result)}
    end

    def reversed_hidden_weights
        # array[hidden node][weights to output nodes]
        reversed = Array.new(hidden_nodes.size){Array.new(output_nodes.size)}
        hidden_weights.each_index do |i|
            hidden_weights[i].each_index do |j|
                reversed[j][i] = hidden_weights[i][j];
            end
        end
        reversed

    end

    def calculate_hidden_error_gradients(output_error_gradients)
        reversed = reversed_hidden_weights
        hidden_nodes.each_with_index.map do |node, i|
            Network::dsigmoid(hidden_nodes[i]) * output_error_gradients.zip(reversed[i]).map{|error, weight| error*weight}.inject(:+)
        end
    end

    def update_all_weights(inputs, desired_results, hidden_error_gradients, output_error_gradients, learning_rate, momentum_rate)
        update_weights(hidden_nodes, inputs, input_weights, hidden_error_gradients, learning_rate, previous_input_weight_deltas, momentum_rate)
        update_weights(output_nodes, hidden_nodes, hidden_weights, output_error_gradients, learning_rate, previous_hidden_weight_deltas, momentum_rate)
    end

    def update_weights(nodes, values, weights, gradients, learning_rate, previous_deltas, momentum_rate)
        weights.each_index do |i|
            weights[i].each_index do |j|
                delta = learning_rate * gradients[i] * values[j]
                weights[i][j] += delta + momentum_rate * previous_deltas[i][j]
                previous_deltas[i][j] = delta
            end
        end


    end

end

end

测试.rb:

#!/usr/bin/ruby

load "network.rb"

learning_rate = 0.3
momentum_rate = 0.2

nn = Neural::Network.new(:inputs => 2, :hidden_nodes => 3, :output_nodes => 1)
10000.times do |i|
    # XOR - doesn't work
    nn.train([0, 0], [0], learning_rate, momentum_rate)
    nn.train([1, 0], [1], learning_rate, momentum_rate)
    nn.train([0, 1], [1], learning_rate, momentum_rate)
    nn.train([1, 1], [0], learning_rate, momentum_rate)

    # AND - very rarely works
    # nn.train([0, 0], [0], learning_rate, momentum_rate)
    # nn.train([1, 0], [0], learning_rate, momentum_rate)
    # nn.train([0, 1], [0], learning_rate, momentum_rate)
    # nn.train([1, 1], [1], learning_rate, momentum_rate)

    # OR - works
    # nn.train([0, 0], [0], learning_rate, momentum_rate)
    # nn.train([1, 0], [1], learning_rate, momentum_rate)
    # nn.train([0, 1], [1], learning_rate, momentum_rate)
    # nn.train([1, 1], [1], learning_rate, momentum_rate)
end

puts "--- TESTING ---"
puts "[0, 0]"
puts "result "+nn.predict([0, 0]).to_s
puts
puts "[1, 0]"
puts "result "+nn.predict([1, 0]).to_s
puts
puts "[0, 1]"
puts "result "+nn.predict([0, 1]).to_s
puts
puts "[1, 1]"
puts "result "+nn.predict([1, 1]).to_s
puts
4

3 回答 3

13

我的答案不是关于 ruby​​,而是关于神经网络。首先,你必须了解如何在纸上写下你的输入和你的网络。如果您实现二元运算符,您的空间将由 XY 平面上的四个点组成。在 X 和 Y 轴上标记真假并画出你的四个点。如果你做对了,你会收到这样的东西http://drawsave.com/1Tj

现在(也许你不知道神经元的这种解释)尝试将神经元画成平面上的一条线,它可以根据需要分隔你的点。例如,这是 AND 行:在此处输入图像描述 该行将正确答案与不正确答案分开。如果你理解了,你可以写 OR 的那一行。异或会很麻烦。

作为此调试的最后一步,将神经元实现为一条线。找了一篇关于它的文献,我不记得如何通过现有的线构建神经元。这会很简单,真的。然后构建一个神经元向量并实现它。将 AND 实现为单个神经元网络,其中神经元定义为您的 AND,在纸上计算。如果你都做对了,你的网络就会做 AND 功能。我写了这么多的信,只是因为你在理解一项任务之前写了一个程序。我不想粗暴,但你提到的 XOR 表明了这一点。如果您尝试在一个神经元上构建 XOR,您将一无所获——不可能将正确答案与错误答案区分开来。在书中它被称为“XOR 不是线性可分的”。因此,对于 XOR,您需要构建一个两层网络。例如,

如果您仍然阅读本文并且理解了我所写的内容,那么您在调试网络时就不会遇到麻烦。如果您的网络无法学习某些功能,请在纸上构建它,然后对您的网络进行硬编码并进行测试。如果它仍然失败,你在不正确的论文上构建它 - 重新阅读我的讲座;)

于 2012-12-22T12:17:12.073 回答
0

如果你想考虑神经进化,你可以检查一下neuroevo宝石。运行规范以查看它在 15 次迭代中是否适合 XOR[2,2,1]前馈网络、XNES优化器):

https://github.com/giuse/neuroevo/blob/master/spec/solver_spec.rb

全面披露:我是开发人员(您好!)。
我最近才开始发布我的代码并正在寻找反馈。

于 2016-05-28T16:00:16.843 回答
0

我有同样的问题,答案是 - 使用更高的学习速度值。我使用以下lSpeed = 12.8 / epoch和关于 100 epochesNN 与 phi(x) = x/(1 + |x|)

现在可能你的神经网络学习速度没有足够的“力量”来完成这项工作。

于 2015-11-30T09:44:22.003 回答