Coursera ML(7)-Programming Exercise 3

machine-learning-ex3.zip 下载链接,第四周的课程相对来说比较简单,大致介绍了神经网络相关内容。更多见:iii.run


注意,官方用的是matlab,这里我用的全部是python,代码是不一样的,更不能当做作业提交。


Programming Exercise 3 - Multi-class Classification and Neural Networks

题目介绍

For this exercise, you will use logistic regression and neural networks to recognize handwritten digits (from 0 to 9).

ex3data1.mat提供了一个训练集,X包含5000个长度为400的向量,每个向量可以展示为一个20*20的图像。Y内为图像所对应的数字。

Code

# %load ../../standard_import.txt
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt

# load MATLAB files
from scipy.io import loadmat
from scipy.optimize import minimize

from sklearn.linear_model import LogisticRegression

pd.set_option('display.notebook_repr_html', False)
pd.set_option('display.max_columns', None)
pd.set_option('display.max_rows', 150)
pd.set_option('display.max_seq_items', None)
 
#%config InlineBackend.figure_formats = {'pdf',}
%matplotlib inline

import seaborn as sns
sns.set_context('notebook')
sns.set_style('white')

Load MATLAB datafiles

data = loadmat('data/ex3data1.mat')
data.keys()
dict_keys(['__header__', '__version__', '__globals__', 'X', 'y'])
weights = loadmat('data/ex3weights.mat')
weights.keys()
dict_keys(['__header__', '__version__', '__globals__', 'Theta1', 'Theta2'])
y = data['y']
# Add constant for intercept
X = np.c_[np.ones((data['X'].shape[0],1)), data['X']]

print('X: {} (with intercept)'.format(X.shape))
print('y: {}'.format(y.shape))
X: (5000, 401) (with intercept)
y: (5000, 1)
theta1, theta2 = weights['Theta1'], weights['Theta2']

print('theta1: {}'.format(theta1.shape))
print('theta2: {}'.format(theta2.shape))
theta1: (25, 401)
theta2: (10, 26)
sample = np.random.choice(X.shape[0], 20)
plt.imshow(X[sample,1:].reshape(-1,20).T)
plt.axis('off');

Multiclass Classification

Logistic regression hypothesis

{% raw %} $$ h_{\theta}(x) = g(\theta^{T}x)$${% endraw %}
{% raw %} $$ g(z)=\frac{1}{1+e^{−z}} $${% endraw %}

def sigmoid(z):
    return(1 / (1 + np.exp(-z)))

Regularized Cost Function

{% raw %} $$ J(\theta) = \frac{1}{m}\sum_{i=1}{m}\big[-y{(i)}, log,( h_\theta,(x{(i)}))-(1-y{(i)}),log,(1-h_\theta(x^{(i)}))\big] + \frac{\lambda}{2m}\sum_{j=1}{n}\theta_{j}{2}$${% endraw %}

Vectorized Cost Function

{% raw %} $$ J(\theta) = \frac{1}{m}\big((,log,(g(X\theta))Ty+(,log,(1-g(X\theta))T(1-y)\big) + \frac{\lambda}{2m}\sum_{j=1}{n}\theta_{j}{2}$${% endraw %}

def lrcostFunctionReg(theta, reg, X, y):
    m = y.size
    h = sigmoid(X.dot(theta))
    
    J = -1*(1/m)*(np.log(h).T.dot(y)+np.log(1-h).T.dot(1-y)) + (reg/(2*m))*np.sum(np.square(theta[1:]))
    
    if np.isnan(J[0]):
        return(np.inf)
    return(J[0])    
def lrgradientReg(theta, reg, X,y):
    m = y.size
    h = sigmoid(X.dot(theta.reshape(-1,1)))
      
    grad = (1/m)*X.T.dot(h-y) + (reg/m)*np.r_[[[0]],theta[1:].reshape(-1,1)]
        
    return(grad.flatten())

One-vs-all

One-vs-all Classification

def oneVsAll(features, classes, n_labels, reg):
    initial_theta = np.zeros((X.shape[1],1))  # 401x1
    all_theta = np.zeros((n_labels, X.shape[1])) #10x401

    for c in np.arange(1, n_labels+1):
        res = minimize(lrcostFunctionReg, initial_theta, args=(reg, features, (classes == c)*1), method=None,
                       jac=lrgradientReg, options={'maxiter':50})
        all_theta[c-1] = res.x
    return(all_theta)
theta = oneVsAll(X, y, 10, 0.1)

One-vs-all Prediction

def predictOneVsAll(all_theta, features):
    probs = sigmoid(X.dot(all_theta.T))
        
    # Adding one because Python uses zero based indexing for the 10 columns (0-9),
    # while the 10 classes are numbered from 1 to 10.
    return(np.argmax(probs, axis=1)+1)
pred = predictOneVsAll(theta, X)
print('Training set accuracy: {} %'.format(np.mean(pred == y.ravel())*100))
Training set accuracy: 93.24 %

Multiclass Logistic Regression with scikit-learn

clf = LogisticRegression(C=10, penalty='l2', solver='liblinear')
# Scikit-learn fits intercept automatically, so we exclude first column with 'ones' from X when fitting.
clf.fit(X[:,1:],y.ravel())
LogisticRegression(C=10, class_weight=None, dual=False, fit_intercept=True,
          intercept_scaling=1, max_iter=100, multi_class='ovr', n_jobs=1,
          penalty='l2', random_state=None, solver='liblinear', tol=0.0001,
          verbose=0, warm_start=False)
pred2 = clf.predict(X[:,1:])
print('Training set accuracy: {} %'.format(np.mean(pred2 == y.ravel())*100))
Training set accuracy: 96.5 %

Neural Networks

def predict(theta_1, theta_2, features):
    z2 = theta_1.dot(features.T)
    a2 = np.c_[np.ones((data['X'].shape[0],1)), sigmoid(z2).T]
    
    z3 = a2.dot(theta_2.T)
    a3 = sigmoid(z3)
        
    return(np.argmax(a3, axis=1)+1) 
pred = predict(theta1, theta2, X)
print('Training set accuracy: {} %'.format(np.mean(pred == y.ravel())*100))
Training set accuracy: 97.52 %

Summary

展示图片

因为给的数据是矩阵的形式,所以需要分为单个向量,重新设置形状。然后展示出来,跟手写字体识别是很像。

%matplotlib inline
import scipy.io as sio 
import matplotlib.pyplot as plt
matfn='C:/Users/wing/Documents/MATLAB/ex3/ex3data1.mat'  
data=sio.loadmat(matfn)  
im = data['X'][0]
im = im.reshape(20,20)
plt.imshow(im , cmap='gray')
mark

如果想要一次展示多个图像呢,写个循环就可以了。不过太多的话,可能就看不清了。。

im = []
for i in range(500):
    plt.subplot(10, 50, i + 1)
    temp = data['X'][i]
    im.append(temp.reshape(20,20))
    plt.imshow(im[i], cmap='gray')
plt.show()

reshape内-1的用法

官方文档:numpy.reshape - NumPy v1.11 Manual

>>> a = np.array([[1,2,3], [4,5,6]])
>>> np.reshape(a, (3,-1))  # the unspecified value is inferred to be 2
array([[1, 2],
       [3, 4],
       [5, 6]])

-1表示我懒得计算该填什么数字,由python通过a和其他的值推测出来。

LogisticRegression

from sklearn.linear_model import LogisticRegression

http://www.cnblogs.com/xupeizhi/archive/2013/07/05/3174703.html
http://scikit-learn.org/stable/index.html

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 206,378评论 6 481
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 88,356评论 2 382
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 152,702评论 0 342
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 55,259评论 1 279
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 64,263评论 5 371
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 49,036评论 1 285
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,349评论 3 400
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,979评论 0 259
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 43,469评论 1 300
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,938评论 2 323
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,059评论 1 333
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,703评论 4 323
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,257评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,262评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,485评论 1 262
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 45,501评论 2 354
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,792评论 2 345

推荐阅读更多精彩内容