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python实现SOM算法

2020-01-04 15:49:22
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来源:转载
供稿:网友

算法简介

SOM网络是一种竞争学习型的无监督神经网络,将高维空间中相似的样本点映射到网络输出层中的邻近神经元。

训练过程简述:在接收到训练样本后,每个输出层神经元会计算该样本与自身携带的权向量之间的距离,距离最近的神经元成为竞争获胜者,称为最佳匹配单元。然后最佳匹配单元及其邻近的神经元的权向量将被调整,以使得这些权向量与当前输入样本的距离缩小。这个过程不断迭代,直至收敛。

  • 网络结构:输入层和输出层(或竞争层),如下图所示。
  • 输入层:假设一个输入样本为X=[x1,x2,x3,…,xn],是一个n维向量,则输入层神经元个数为n个。
  • 输出层(竞争层):通常输出层的神经元以矩阵方式排列在二维空间中,每个神经元都有一个权值向量。
  • 假设输出层有m个神经元,则有m个权值向量,Wi = [wi1,wi2,....,win], 1<=i<=m。

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算法流程:

1. 初始化:权值使用较小的随机值进行初始化,并对输入向量和权值做归一化处理
          X' = X/||X||
          ω'i= ωi/||ωi||, 1<=i<=m
          ||X||和||ωi||分别为输入的样本向量和权值向量的欧几里得范数。

2.将样本输入网络:样本与权值向量做点积,点积值最大的输出神经元赢得竞争,
(或者计算样本与权值向量的欧几里得距离,距离最小的神经元赢得竞争)记为获胜神经元。

3.更新权值:对获胜的神经元拓扑邻域内的神经元进行更新,并对学习后的权值重新归一化。
        ω(t+1)= ω(t)+ η(t,n) * (x-ω(t))
        η(t,n):η为学习率是关于训练时间t和与获胜神经元的拓扑距离n的函数。
        η(t,n)=η(t)e^(-n)
        η(t)的几种函数图像如下图所示。

4.更新学习速率η及拓扑邻域N,N随时间增大距离变小,如下图所示。

5.判断是否收敛。如果学习率η<=ηmin或达到预设的迭代次数,结束算法。

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python代码实现SOM

import numpy as npimport pylab as plclass SOM(object):  def __init__(self, X, output, iteration, batch_size):    """    :param X: 形状是N*D, 输入样本有N个,每个D维    :param output: (n,m)一个元组,为输出层的形状是一个n*m的二维矩阵    :param iteration:迭代次数    :param batch_size:每次迭代时的样本数量    初始化一个权值矩阵,形状为D*(n*m),即有n*m权值向量,每个D维    """    self.X = X    self.output = output    self.iteration = iteration    self.batch_size = batch_size    self.W = np.random.rand(X.shape[1], output[0] * output[1])    print (self.W.shape)  def GetN(self, t):    """    :param t:时间t, 这里用迭代次数来表示时间    :return: 返回一个整数,表示拓扑距离,时间越大,拓扑邻域越小    """    a = min(self.output)    return int(a-float(a)*t/self.iteration)  def Geteta(self, t, n):    """    :param t: 时间t, 这里用迭代次数来表示时间    :param n: 拓扑距离    :return: 返回学习率,    """    return np.power(np.e, -n)/(t+2)  def updata_W(self, X, t, winner):    N = self.GetN(t)    for x, i in enumerate(winner):      to_update = self.getneighbor(i[0], N)      for j in range(N+1):        e = self.Geteta(t, j)        for w in to_update[j]:          self.W[:, w] = np.add(self.W[:,w], e*(X[x,:] - self.W[:,w]))  def getneighbor(self, index, N):    """    :param index:获胜神经元的下标    :param N: 邻域半径    :return ans: 返回一个集合列表,分别是不同邻域半径内需要更新的神经元坐标    """    a, b = self.output    length = a*b    def distence(index1, index2):      i1_a, i1_b = index1 // a, index1 % b      i2_a, i2_b = index2 // a, index2 % b      return np.abs(i1_a - i2_a), np.abs(i1_b - i2_b)    ans = [set() for i in range(N+1)]    for i in range(length):      dist_a, dist_b = distence(i, index)      if dist_a <= N and dist_b <= N: ans[max(dist_a, dist_b)].add(i)    return ans  def train(self):    """    train_Y:训练样本与形状为batch_size*(n*m)    winner:一个一维向量,batch_size个获胜神经元的下标    :return:返回值是调整后的W    """    count = 0    while self.iteration > count:      train_X = self.X[np.random.choice(self.X.shape[0], self.batch_size)]      normal_W(self.W)      normal_X(train_X)      train_Y = train_X.dot(self.W)      winner = np.argmax(train_Y, axis=1).tolist()      self.updata_W(train_X, count, winner)      count += 1    return self.W  def train_result(self):    normal_X(self.X)    train_Y = self.X.dot(self.W)    winner = np.argmax(train_Y, axis=1).tolist()    print (winner)    return winnerdef normal_X(X):  """  :param X:二维矩阵,N*D,N个D维的数据  :return: 将X归一化的结果  """  N, D = X.shape  for i in range(N):    temp = np.sum(np.multiply(X[i], X[i]))    X[i] /= np.sqrt(temp)  return Xdef normal_W(W):  """  :param W:二维矩阵,D*(n*m),D个n*m维的数据  :return: 将W归一化的结果  """  for i in range(W.shape[1]):    temp = np.sum(np.multiply(W[:,i], W[:,i]))    W[:, i] /= np.sqrt(temp)  return W#画图def draw(C):  colValue = ['r', 'y', 'g', 'b', 'c', 'k', 'm']  for i in range(len(C)):    coo_X = []  #x坐标列表    coo_Y = []  #y坐标列表    for j in range(len(C[i])):      coo_X.append(C[i][j][0])      coo_Y.append(C[i][j][1])    pl.scatter(coo_X, coo_Y, marker='x', color=colValue[i%len(colValue)], label=i)  pl.legend(loc='upper right')  pl.show()#数据集:每三个是一组分别是西瓜的编号,密度,含糖量data = """1,0.697,0.46,2,0.774,0.376,3,0.634,0.264,4,0.608,0.318,5,0.556,0.215,6,0.403,0.237,7,0.481,0.149,8,0.437,0.211,9,0.666,0.091,10,0.243,0.267,11,0.245,0.057,12,0.343,0.099,13,0.639,0.161,14,0.657,0.198,15,0.36,0.37,16,0.593,0.042,17,0.719,0.103,18,0.359,0.188,19,0.339,0.241,20,0.282,0.257,21,0.748,0.232,22,0.714,0.346,23,0.483,0.312,24,0.478,0.437,25,0.525,0.369,26,0.751,0.489,27,0.532,0.472,28,0.473,0.376,29,0.725,0.445,30,0.446,0.459"""a = data.split(',')dataset = np.mat([[float(a[i]), float(a[i+1])] for i in range(1, len(a)-1, 3)])dataset_old = dataset.copy()som = SOM(dataset, (5, 5), 1, 30)som.train()res = som.train_result()classify = {}for i, win in enumerate(res):  if not classify.get(win[0]):    classify.setdefault(win[0], [i])  else:    classify[win[0]].append(i)C = []#未归一化的数据分类结果D = []#归一化的数据分类结果for i in classify.values():  C.append(dataset_old[i].tolist())  D.append(dataset[i].tolist())draw(C)draw(D)

由于数据比较少,就直接用的训练集做测试了,运行结果图如下,分别是对未归一化的数据和归一化的数据进行的展示。

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参考内容:

1.《机器学习》周志华
2.自组织竞争神经网络SOM

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持VEVB武林网。


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