史上最简洁实用人工神经元网络c++编写202301

news2024/12/25 9:10:10

这是史上最简单、清晰……
C++语言编写的 带正向传播、反向传播(Forward ……和Back Propagation)……任意Nodes数的人工神经元神经网络……。

大一学生、甚至中学生可以读懂。

适合于,没学过高数的程序员……照猫画虎编写人工智能、深度学习之神经网络……


著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。
 

“我在网上看到过很多神经网络的实现方法,但这一篇是最简单、最清晰的。”

一位来自Umass的华人小哥Along Asong,写了篇神经网络入门教程,在线代码网站Repl.it联合创始人Amjad Masad看完以后,给予如是评价。

 这篇教程发布仅一天时间,就在Hacker News论坛上收获了574赞。程序员们纷纷夸赞这篇文章的代码写得很好,变量名很规范,让人一目了然。

下面就让我们一起从零开始学习神经网络吧:

 c++写一完整人工神经网络,要求输入层有9个Nodes,一个隐藏层有12个Nodes,输出层有5个Nodes,……含有反向传播、梯度下降法更新权重和偏置等。

  1. 神经网络的结构
  2. 前向传播(Forward Propagation)
  3. 反向传播(Back Propagation)
  4. 更新权重和偏置(梯度下降法)

下面是一个基本的实现:

// c++人工神经网络反向传播梯度下降更新权重偏置230810a18.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
#include <iostream>
#include <vector>
#include <cmath>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <sstream>
#include <iomanip>  // 引入setprecision

int Ninpu9t = 9; //输入层Nodes数
int Nhidde12n = 12;//隐藏层Nodes数 4;// 11;
int nOutpu2t = 5;//输出层Nodes数 2;// 3;

double Lost001 = 9.0;

// 使用sigmoid作为激活函数
double sigmoid(double x) {
    return 1.0 / (1.0 + std::exp(-x));
}

double sigmoid_derivative(double x) {
    double s = sigmoid(x);
    return s * (1 - s);
}

class NeuralNetwork {
private:
    std::vector<std::vector<double>> weights1, weights2; // weights
    std::vector<double> bias1, bias2;                     // biases
    double learning_rate;

public:
    NeuralNetwork() : learning_rate(0.1) {  //01) {
        srand(time(nullptr));

        // 初始化权重和偏置
        weights1.resize(Ninpu9t, std::vector<double>(Nhidde12n));
        weights2.resize(Nhidde12n, std::vector<double>(nOutpu2t));

        bias1.resize(Nhidde12n);
        bias2.resize(nOutpu2t);

        for (int i = 0; i < Ninpu9t; ++i)
            for (int j = 0; j < Nhidde12n; ++j)
                weights1[i][j] = (rand() % 2000 - 1000) / 1000.0; // [-1, 1]

        for (int i = 0; i < Nhidde12n; ++i) {//for1100i
            bias1[i] = (rand() % 2000 - 1000) / 1000.0; // [-1, 1]

            for (int j = 0; j < nOutpu2t; ++j)
                weights2[i][j] = (rand() % 2000 - 1000) / 1000.0; // [-1, 1]
        }//for1100i

        for (int i = 0; i < nOutpu2t; ++i)
            bias2[i] = (rand() % 2000 - 1000) / 1000.0; // [-1, 1]
    }

    std::vector<double> forward(const std::vector<double>& input) {
        std::vector<double> hidden(Nhidde12n);
        std::vector<double> output(nOutpu2t);

        for (int i = 0; i < Nhidde12n; ++i) {//for110i
            hidden[i] = 0;
            for (int j = 0; j < Ninpu9t; ++j)
            {
                hidden[i] += input[j] * weights1[j][i];
            }
            hidden[i] += bias1[i];
            hidden[i] = sigmoid(hidden[i]);
        }//for110i

        for (int i = 0; i < nOutpu2t; ++i) {//for220i
            output[i] = 0;
            for (int j = 0; j < Nhidde12n; ++j)
            {
                output[i] += hidden[j] * weights2[j][i];
            }
            output[i] += bias2[i];
            output[i] = sigmoid(output[i]);
        }//for220i

        return output;
    }

    void train(const std::vector<double>& input, const std::vector<double>& target) {
        // Forward
        std::vector<double> hidden(Nhidde12n);
        std::vector<double> output(nOutpu2t);
        std::vector<double> hidden_sum(Nhidde12n, 0);
        std::vector<double> output_sum(nOutpu2t, 0);

        for (int i = 0; i < Nhidde12n; ++i) {
            for (int j = 0; j < Ninpu9t; ++j)
            {
                hidden_sum[i] += input[j] * weights1[j][i];
            }
            hidden_sum[i] += bias1[i];
            hidden[i] = sigmoid(hidden_sum[i]);
        }//for110i

        for (int i = 0; i < nOutpu2t; ++i) {//for220i
            for (int j = 0; j < Nhidde12n; ++j)
                output_sum[i] += hidden[j] * weights2[j][i];    //注意 output_sum[]
            output_sum[i] += bias2[i];
            output[i] = sigmoid(output_sum[i]);     //激活函数正向传播
        }//for220i

        //反向传播Backpropagation
        std::vector<double> output_errors(nOutpu2t);
        for (int i = 0; i < nOutpu2t; ++i) {//for2240i
            output_errors[i] = target[i] - output[i];
            //算损失综合总和:
            Lost001 = 0.0;
            Lost001 += fabs(output_errors[i]);

    }//for2240i

        
        std::vector<double> d_output(nOutpu2t);
        for (int i = 0; i < nOutpu2t; ++i)
            d_output[i] = output_errors[i] * sigmoid_derivative(output_sum[i]); //对output_sum[]做 激活函数的 导数 传播

        std::vector<double> hidden_errors(Nhidde12n, 0);
        for (int i = 0; i < Nhidde12n; ++i) {//for440i
            for (int j = 0; j < nOutpu2t; ++j)
                hidden_errors[i] += weights2[i][j] * d_output[j];
        }//for440i

        std::vector<double> d_hidden(Nhidde12n);
        for (int i = 0; i < Nhidde12n; ++i)
            d_hidden[i] = hidden_errors[i] * sigmoid_derivative(hidden_sum[i]); //对 hidden_errors层 做激活函数的 导数 传播

        // Update weights and biases
        for (int i = 0; i < Nhidde12n; ++i) {//for66i
            for (int j = 0; j < nOutpu2t; ++j)
                weights2[i][j] += learning_rate * d_output[j] * hidden[i]; //修改 隐藏层的 weights2
        }//for66i

        for (int i = 0; i < nOutpu2t; ++i)
            bias2[i] += learning_rate * d_output[i];

        for (int i = 0; i < Ninpu9t; ++i) {//for990i
            for (int j = 0; j < Nhidde12n; ++j)
                weights1[i][j] += learning_rate * d_hidden[j] * input[i];   //修改输入层的 weight1
        }//for990i

        for (int i = 0; i < Nhidde12n; ++i)
            bias1[i] += learning_rate * d_hidden[i];

    }//void train(const std::vector<double>& input, const std::vector<double>& target
}; //class NeuralNetwork {

int main() {
    NeuralNetwork nn;

    // Example
    std::vector<double> input[5];
    input[0] = { 0,1,0, 0,1,0, 0,1,0 };      //1“竖线”或 “1”字{ 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 };
    input[1] = { 0,0,0, 1,1,1,0,0,0 };      //-“横线”或 “-”减号{ 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 };
    input[2] = { 0,1,0, 1,1,1, 0,1,0 };      //+“+”加号{ 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 };
    input[3] = { 0,1,0, 0,2, 0,  0,3, 0.12 };   // '1'或 '|'字型{ 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 };
    input[4] = { 1,1,0, 9,0,9.8,  1,1,1 };      //“口”字型+{ 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 };
    std::vector<double> target[5];
    target[0] = { 1.0, 0,0,0,0 };//1 , 0}; //0.0, 1.0, 0.5};      //{ 0.0, 1.0 };
    target[1] = { 0, 1.0 ,0,0,0};//- 91.0, 0};// , 0, 0}; //
    target[2] = { 0,0,1.0,0,0 };//+ 1.0, 0.5};
    target[3] = { 1.0 ,0,0, 0.5 ,0}; //1
    target[4] = { 0,0,0,0,1.0 }; //“口”

    // Training
    for (int i = 0; i < 50000/*00 */; ++i) {//for220i
        for (int jj = 0; jj < 4; ++jj) {
            nn.train(input[jj], target[jj]);
        }//for2230jj
        if (0 == i % 10000) {//if2250
            printf(".");
            std::cout << "[Lost:" << Lost001 << std::endl;
            Lost001 = 0;
    }//if2250
}//for220i

    // Test
    input[0] = { 0,1,0, 0,1,0, 0,1,0 };      //1{ 1.0, 0.5, 0.25, 0.125 };

    std::vector<double> output = nn.forward(input[0]);
    for (auto& val : output)
        std::cout << val << " ";
    std::cout << std::endl;

    input[1] = { 0,0,0, 1,1,1, 0,0,0 };
    //std::vector<double> 
        output = nn.forward(input[1]);
    for (auto& val : output)
        std::cout << val << " ";
    std::cout << std::endl;



    //-----------------------------------------------
    std::string S;
 //   int D[9];

    do {
        std::cout << std::endl << "请输入一个包含9个由逗号分隔的数字的字符串: ";
        std::getline(std::cin, S);

        std::stringstream ss(S);
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            std::string temp;
            std::getline(ss, temp, ',');

            input[1][i] = (double)std::stof(temp); // 将字符串转化为整数
        }

        std::cout << "数字数组为: ";
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            std::cout << input[1][i] << " ";
        }

        output = nn.forward(input[1]);
        std::cout << std::endl;
        for (auto& val : output)
            std::cout <<std::fixed<< std::setprecision(9)<< val << " ";

    } while (1 == 1);

    //====================================================

    return 0;
}//main

运行结果:

 

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