神经网络通俗理解_神经网络举例「建议收藏」

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本文介绍MLP（Multi-Layer Perception的理论以及实践）
参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/63184325
https://en.wikipedia.org/wiki/Multilayer_perceptron

一. 理论

MLP是最基本的神经网络模型。
最典型的MLP包括包括三层：输入层、隐层和输出层，MLP神经网络不同层之间是全连接的（全连接的意思就是：上一层的任何一个神经元与下一层的所有神经元都有连接）。

神经网络

神经网络其实是对生物神经元的模拟和简化，生物神经元由树突、细胞体、轴突等部分组成。树突是细胞体的输入端，其接受四周的神经冲动；轴突是细胞体的输出端，其发挥传递神经冲动给其他神经元的作用，生物神经元具有兴奋和抑制两种状态，当接受的刺激高于一定阈值时，则会进入兴奋状态并将神经冲动由轴突传出，反之则没有神经冲动。
神经元使用特征向量来表示的前馈神经网络，它是一种二元分类器，把矩阵上的输入（实数值向量）映射到输出值上（一个二元的值）。

w是实数的表示权重的向量，w·x是点积。b是偏置，一个不依赖于任何输入值的常数。
神经网络主要有三个基本要素：权重、偏置和激活函数

权重：神经元之间的连接强度由权重表示，权重的大小表示可能性的大小
偏置：偏置的设置是为了正确分类样本，是模型中一个重要的参数，即保证通过输入算出的输出值不能随便激活。
激活函数：起非线性映射的作用，其可将神经元的输出幅度限制在一定范围内

激活函数

激活函数主要有以下几种：

sigmoid
tanh
ReLU

sigmoid

其可将（-∞，+∞）的数映射到（0~1）的范围内。

tanh

tanh是Sigmoid函数的变形，tanh的均值是0，在实际应用中有比Sigmoid更好的效果

ReLU

ReLU是近来比较流行的激活函数，当输入信号小于0时，输出为0；当输入信号大于0时，输出等于输入

神经网络用例

MLP的最经典例子就是数字识别，有个非常值得学习的视频课：
https://www.youtube.com/watch?v=aircAruvnKk&t=2s

二. 实践

Sklearn包括了MLPClassifier和MLPRegressor可以使用MLP做分类和拟合。

参数

下面介绍MLPClassifier的一些参数：

hidden_layer_sizes :元祖格式，长度=n_layers-2, 默认(100，），第i个元素表示第i个隐藏层的神经元的个数。
即通过这个参数，可以设置神经网络层数和每层神经元个数
activation :{‘identity’, ‘logistic’, ‘tanh’, ‘relu’}, 默认‘relu
- ‘identity’： no-op activation, useful to implement linear bottleneck，
- ‘logistic’：the logistic sigmoid function, returns f(x) = 1 / (1 + exp(-x)).
- ‘tanh’：the hyperbolic tan function, returns f(x) = tanh(x).
- ‘relu’：the rectified linear unit function, returns f(x) = max(0, x)
solver ： {‘lbfgs’, ‘sgd’, ‘adam’}, 默认 ‘adam’，用来优化权重
- lbfgs：quasi-Newton方法的优化器
- sgd：随机梯度下降
- adam： Kingma, Diederik, and Jimmy Ba提出的机遇随机梯度的优化器
  注意：默认solver ‘adam’在相对较大的数据集上效果比较好（几千个样本或者更多），对小数据集来说，lbfgs收敛更快效果也更好。
alpha :float,可选的，默认0.0001,正则化项参数
batch_size : int , 可选的，默认‘auto’,随机优化的minibatches的大小，如果solver是‘lbfgs’，分类器将不使用minibatch，当设置成‘auto’，batch_size=min(200,n_samples)
learning_rate :{‘constant’，‘invscaling’, ‘adaptive’},默认‘constant’，用于权重更新，只有当solver为’sgd‘时使用
- ‘constant’: 有‘learning_rate_init’给定的恒定学习率
- ‘incscaling’：随着时间t使用’power_t’的逆标度指数不断降低学习率 learning_rate_ ，effective_learning_rate = learning_rate_init / pow(t, power_t)
- ‘adaptive’：只要训练损耗在下降，就保持学习率为’learning_rate_init’不变，当连续两次不能降低训练损耗或验证分数停止升高至少 tol 时，将当前学习率除以5.
max_iter : int，可选，默认200，最大迭代次数。
random_state :int 或RandomState，可选，默认None，随机数生成器的状态或种子。
shuffle : bool，可选，默认True,只有当solver=’sgd’或者‘adam’时使用，判断是否在每次迭代时对样本进行清洗。
tol ：float, 可选，默认1e-4，优化的容忍度
learning_rate_int :double,可选，默认0.001，初始学习率，控制更新权重的补偿，只有当solver=’sgd’ 或’adam’时使用。
power_t : double, optional, default 0.5，只有solver=’sgd’时使用，是逆扩展学习率的指数.当learning_rate=’invscaling’，用来更新有效学习率。
verbose : bool, optional, default False,是否将过程打印到stdout
warm_start : bool, optional, default False,当设置成True，使用之前的解决方法作为初始拟合，否则释放之前的解决方法。
momentum : float, default 0.9,Momentum(动量） for gradient descent update. Should be between 0 and 1. Only used when solver=’sgd’.
nesterovs_momentum : boolean, default True, Whether to use Nesterov’s momentum. Only used when solver=’sgd’ and momentum > 0.
early_stopping : bool, default False,Only effective when solver=’sgd’ or ‘adam’,判断当验证效果不再改善的时候是否终止训练，当为True时，自动选出10%的训练数据用于验证并在两步连续爹迭代改善低于tol时终止训练。
validation_fraction : float, optional, default 0.1,用作早期停止验证的预留训练数据集的比例，早0-1之间，只当early_stopping=True有用
beta_1 : float, optional, default 0.9，Only used when solver=’adam’，估计一阶矩向量的指数衰减速率，[0,1)之间
beta_2 : float, optional, default 0.999,Only used when solver=’adam’估计二阶矩向量的指数衰减速率[0,1)之间
epsilon : float, optional, default 1e-8,Only used when solver=’adam’数值稳定值。

属性说明：

classes_ :每个输出的类标签
loss_ :损失函数计算出来的当前损失值
coefs_ :列表中的第i个元素表示i层的权重矩阵
intercepts_ :列表中第i个元素代表i+1层的偏差向量
n_iter_ ：迭代次数
n_layers_ :层数
n_outputs_ :输出的个数
out_activation_ :输出激活函数的名称。
方法说明：
fit(X,y) :拟合
get_params([deep]) :获取参数
predict(X) :使用MLP进行预测
predic_log_proba(X) :返回对数概率估计
predic_proba(X) ：概率估计
score(X,y[,sample_weight]) :返回给定测试数据和标签上的平均准确度
set_params(**params) :设置参数。

SKLearn实例

下面介绍使用SKLearn MLP分类器的一个实例
数据来源：https://www.kaggle.com/datasets/kamilpytlak/personal-key-indicators-of-heart-disease
通过一组特征来分类是否患有心脏疾病

数据预览：

import pandas as pd
import numpy as np

df = pd.read_csv('./heart_2020_cleaned.csv')
df.head()

空值分析发现没有空值

import missingno as msno

msno.matrix(df)

特征工程：
大概就是把数据的一些string项转化为int分类

df = df.replace('Yes', 1)
df = df.replace('No', 0)

df['Sex'] = df['Sex'].replace(['Female', 'Male'], [0, 1])

age_category_map = {
    '18-24': 1,
    '25-29': 2,
    '30-34': 3,
    '35-39': 4,
    '40-44': 5,
    '45-49': 6,
    '50-54': 7,
    '55-59': 8,
    '60-64': 9,
    '65-69': 10,
    '70-74': 11,
    '75-79': 12,
    '80 or older': 13
}
df['AgeCategory'] = df['AgeCategory'].map(age_category_map).round(0)

race_map = {
    'White': 0,
    'Hispanic': 1,
    'Black': 2,
    'Other': 3,
    'Asian': 4,
    'American Indian/Alaskan Native': 5
}
df['Race'] = df['Race'].map(race_map).round(0).astype(int)

gen_health_map = {
    'Poor': 1,
    'Fair': 2,
    'Good': 3,
    'Very good': 4,
    'Excellent': 5
}
df['GenHealth'] = df['GenHealth'].map(gen_health_map).round(0).astype(int)

df['Diabetic'] = df['Diabetic'].replace(['No, borderline diabetes', 'Yes (during pregnancy)'], [2,3])

df.describe()

数据分割：

y = df['HeartDisease']
X = df.drop('HeartDisease', axis=1)

from sklearn.model_selection import train_test_split

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

MLP分类：

from sklearn.neural_network import MLPClassifier

model = MLPClassifier(random_state=1, max_iter=500, hidden_layer_sizes=(200, 100)).fit(X_train, y_train)

model.score(X_test, y_test)

大概准确率91%左右，和RF等集成学习模型差不多
Kaggle Notebook：
https://www.kaggle.com/code/asprant/heart-disease-with-rf-and-mlp-classification/notebook?scriptVersionId=93341744

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