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C++实现的简单BP神经网络_c++程序训练两个输入一个输出的bp神经网络

c++程序训练两个输入一个输出的bp神经网络

实现了一个简单的BP神经网络
使用EasyX图形化显示训练过程和训练结果
使用了25个样本,一共训练了1万次。
神经网络有两个输入,一个输出端
下图是训练效果,data是训练的输入数据,temp代表所在层的输出,target是训练目标,右边的大图是BP神经网络的测试结果。
BP神经网络
以下是详细的代码实现,主要还是基本的矩阵运算。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <graphics.h>
#include <time.h>
#include <math.h>

#define uint unsigned short
#define real double

#define threshold (real)(rand() % 99998 + 1) / 100000

// 神经网络的层
class layer{
private:
	char name[20];
	uint row, col;
	uint x, y;
	real **data;
	real *bias;
public:
	layer(){
		strcpy_s(name, "temp");
		row = 1;
		col = 3;
		x = y = 0;
		data = new real*[row];
		bias = new real[row];
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			data[i] = new real[col];
			bias[i] = threshold;
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				data[i][j] = 1;
			}
		}
	}
	layer(FILE *fp){
		fscanf_s(fp, "%d %d %d %d %s", &row, &col, &x, &y, name);
		data = new real*[row];
		bias = new real[row];
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			data[i] = new real[col];
			bias[i] = threshold;
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				fscanf_s(fp, "%lf", &data[i][j]);
			}
		}
	}
	layer(uint row, uint col){
		strcpy_s(name, "temp");
		this->row = row;
		this->col = col;
		this->x = 0;
		this->y = 0;
		this->data = new real*[row];
		this->bias = new real[row];
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			data[i] = new real[col];
			bias[i] = threshold;
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				data[i][j] = 1.0f;
			}
		}
	}
	layer(const layer &a){
		strcpy_s(name, a.name);
		row = a.row, col = a.col;
		x = a.x, y = a.y;
		data = new real*[row];
		bias = new real[row];
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			data[i] = new real[col];
			bias[i] = a.bias[i];
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				data[i][j] = a.data[i][j];
			}
		}
	}
	~layer(){
		// 删除原有数据
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			delete[]data[i];
		}
		delete[]data;
	}
	layer& operator =(const layer &a){
		// 删除原有数据
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			delete[]data[i];
		}
		delete[]data;
		delete[]bias;
		// 重新分配空间
		strcpy_s(name, a.name);
		row = a.row, col = a.col;
		x = a.x, y = a.y;
		data = new real*[row];
		bias = new real[row];
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			data[i] = new real[col];
			bias[i] = a.bias[i];
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				data[i][j] = a.data[i][j];
			}
		}
		return *this;
	}
	layer Transpose() const {
		layer arr(col, row);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				arr.data[j][i] = data[i][j];
			}
		}
		return arr;
	}
	layer sigmoid(){
		layer arr(col, row);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint i = 0; i < x.row; i++){
			for (uint j = 0; j < x.col; j++){
				arr.data[i][j] = 1 / (1 + exp(-data[i][j]));// 1/(1+exp(-z))
			}
		}
		return arr;
	}
	layer operator *(const layer &b){
		layer arr(row, col);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				arr.data[i][j] = data[i][j] * b.data[i][j];
			}
		}
		return arr;
	}
	layer operator *(const int b){
		layer arr(row, col);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				arr.data[i][j] = b * data[i][j];
			}
		}
		return arr;
	}
	layer matmul(const layer &b){
		layer arr(row, b.col);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint k = 0; k < b.col; k++){
			for (uint i = 0; i < row; i++){
				arr.bias[i] = bias[i];
				arr.data[i][k] = 0;
				for (uint j = 0; j < col; j++){
					arr.data[i][k] += data[i][j] * b.data[j][k];
				}
			}
		}
		return arr;
	}
	layer operator -(const layer &b){
		layer arr(row, col);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				arr.data[i][j] = data[i][j] - b.data[i][j];
			}
		}
		return arr;
	}
	layer operator +(const layer &b){
		layer arr(row, col);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				arr.data[i][j] = data[i][j] + b.data[i][j];
			}
		}
		return arr;
	}
	layer neg(){
		layer arr(row, col);
		arr.x = x, arr.y = y;
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				arr.data[i][j] = -data[i][j];
			}
		}
		return arr;
	}
	bool operator ==(const layer &a){
		bool result = true;
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				if (abs(data[i][j] - a.data[i][j]) > 10e-6){
					result = false;
					break;
				}
			}
		}
		return result;
	}
	void randomize(){
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				data[i][j] = threshold;
			}
			bias[i] = 0.3;
		}
	}
	void print(){
		outtextxy(x, y - 20, name);
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				COLORREF color = HSVtoRGB(360 * data[i][j], 1, 1);
				putpixel(x + i, y + j, color);
			}
		}
	}
	void save(FILE *fp){
		fprintf_s(fp, "%d %d %d %d %s\n", row, col, x, y, name);
		for (uint i = 0; i < row; i++){
			for (uint j = 0; j < col; j++){
				fprintf_s(fp, "%lf ", data[i][j]);
			}
			fprintf_s(fp, "\n");
		}
	}
	friend class network;
	friend layer operator *(const double a, const layer &b);
};

layer operator *(const double a, const layer &b){
	layer arr(b.row, b.col);
	arr.x = b.x, arr.y = b.y;
	for (uint i = 0; i < arr.row; i++){
		for (uint j = 0; j < arr.col; j++){
			arr.data[i][j] = a * b.data[i][j];
		}
	}
	return arr;
}

// 神经网络
class network{
	int iter;
	double learn;
	layer arr[3];
	layer data, target, test;
	layer& unit(layer &x){
		for (uint i = 0; i < x.row; i++){
			for (uint j = 0; j < x.col; j++){
				x.data[i][j] = i == j ? 1.0 : 0.0;
			}
		}
		return x;
	}
	layer grad_sigmoid(layer &x){
		layer e(x.row, x.col);
		e = x*(e - x);
		return e;
	}
public:
	network(FILE *fp){
		fscanf_s(fp, "%d %lf", &iter, &learn);
		// 输入数据
		data = layer(fp);
		for (uint i = 0; i < 3; i++){
			arr[i] = layer(fp);
			//arr[i].randomize();
		}
		target = layer(fp);
		// 测试数据
		test = layer(2, 40000);
		for (uint i = 0; i < test.col; i++){
			test.data[0][i] = ((double)i / 200) / 200.0f;
			test.data[1][i] = (double)(i % 200) / 200.0f;
		}
	}
	void train(){
		int i = 0;
		char str[20];
		data.print();
		target.print();
		for (i = 0; i < iter; i++){
			sprintf_s(str, "Iterate:%d", i);
			outtextxy(0, 0, str);
			// 正向传播
			layer l0 = data;
			layer l1 = arr[0].matmul(l0).sigmoid();
			layer l2 = arr[1].matmul(l1).sigmoid();
			layer l3 = arr[2].matmul(l2).sigmoid();
			// 显示输出结果
			l1.print();
			l2.print();
			l3.print();
			if (l3 == target){
				break;
			}
			// 反向传播
			layer l3_delta = (l3 - target ) * grad_sigmoid(l3);
			layer l2_delta = arr[2].Transpose().matmul(l3_delta) * grad_sigmoid(l2);
			layer l1_delta = arr[1].Transpose().matmul(l2_delta) * grad_sigmoid(l1);
			// 梯度下降法
			arr[2] = arr[2] - learn * l3_delta.matmul(l2.Transpose());
			arr[1] = arr[1] - learn * l2_delta.matmul(l1.Transpose());
			arr[0] = arr[0] - learn * l1_delta.matmul(l0.Transpose());
		}
		sprintf_s(str, "Iterate:%d", i);
		outtextxy(0, 0, str);
		// 测试输出
		// selftest();
	}
	void selftest(){
		// 测试
		layer l0 = test;
		layer l1 = arr[0].matmul(l0).sigmoid();
		layer l2 = arr[1].matmul(l1).sigmoid();
		layer l3 = arr[2].matmul(l2).sigmoid();
		setlinecolor(WHITE);
		// 测试例
		for (uint j = 0; j < test.col; j++){
			COLORREF color = HSVtoRGB(360 * l3.data[0][j], 1, 1);// 输出颜色
			putpixel((int)(test.data[0][j] * 160) + 400, (int)(test.data[1][j] * 160) + 30, color);
		}
		// 标准例
		for (uint j = 0; j < data.col; j++){
			COLORREF color = HSVtoRGB(360 * target.data[0][j], 1, 1);// 输出颜色
			setfillcolor(color);
			fillcircle((int)(data.data[0][j] * 160) + 400, (int)(data.data[1][j] * 160) + 30, 3);
		}
		line(400, 30, 400, 230);
		line(400, 30, 600, 30);
	}
	void save(FILE *fp){
		fprintf_s(fp, "%d %lf\n", iter, learn);
		data.save(fp);
		for (uint i = 0; i < 3; i++){
			arr[i].save(fp);
		}
		target.save(fp);
	}
};
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#include "network.h"

void main(){
	FILE file;
	FILE *fp = &file;
	// 读取状态
	fopen_s(&fp, "Text.txt", "r");
	network net(fp);
	fclose(fp);
	initgraph(600, 320);
	net.train();
	// 保存状态
	fopen_s(&fp, "Text.txt", "w");
	net.save(fp);
	fclose(fp);
	getchar();
	closegraph();
}
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上面这段代码是在2016年初实现的,非常简陋,且不利于扩展。时隔三年,我再次回顾了反向传播算法,重构了上面的代码。

最近,参考【深度学习】一书对反向传播算法的描述,我用C++再次实现了基于反向传播算法的神经网络框架:Github: Neural-Network。该框架支持张量运算,如卷积,池化和上采样运算。除了能实现传统的stacked网络模型,还实现了基于计算图的自动求导算法,目前还有些bug。预计支持搭建卷积神经网络,并实现【深度学习】一书介绍的一些基于梯度的优化算法。

欢迎感兴趣的同学在此提出宝贵建议。

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