Construir una red neuronal en pocos minutos

Posted on dom 11 febrero 2018 in Tutorial de Python • 4 min read

En el artículo anterior se mostró una red neuronal que clasificaba unos datos(Introducción al perceptron).

Como lo dice el vídeo de como construir una red neuronal en 4 minutos, los pasos para trabajar con Machine Learning son:

  1. Construir
  2. Entrenar
  3. Probar

El vídeo a continuación de la explicación de la red neuronal:

https://youtu.be/h3l4qz76JhQ

Este artículo como el del vídeo se basa en un artículo publicado en medium que se llama How to build a simple neural network in 9 lines of Python code y en el artículo A Neural Network in 11 lines of Python (Part 1).

La idea es que se tiene una entrada de datos de 1 y 0 y se tiene una salida el cual es un 1 o un 0, esta muestra de datos se usarán para entrenar a la red neuronal, luego al terminar el aprendizaje y se ajusten los pesos de la red neuronal, se le pasará un nuevo escenario de datos de entrada y la red calculará el valor de salida.

A continuación una imagen de las muestras de datos de entrada, la salida que se genera y el nuevo escenario de datos que se recibirá.

La ecuación para calcular la salida de una neurona es:

Como función de activación de la red neuronal se usará un sigmoide:

Su ecuación es:

Y la gráfica:

Al sustituir la ecuación de la sumatoria con la función de la sigmoide se tiene la salida de una neurona:

A continuación el código de la construcción de la red neuronal, del entrenamiento y de la prueba:

In [1]:

# Datos de entrada y de salida

Entradas    Salida
001     0
111     1
101     1
011     0
100     ?

In [2]:

#Se importan:
# exp: valor e
# array: manejo de arreglos
#random: números aleatorios
#dot: multiplicación de matrices.
from numpy import exp, array, random, dot

In [3]:

class RedNeuronal(object):
    def __init__(self,seed=1):
        # Seed el generador de números aleatorios, generará los mismos números
        #cada vez que el programa corra.
        random.seed(seed)

        # se modelará una simple neurona con 3 entradas y una salida.

        # se asignan pesos aleatorios a una matrix 3x1 con valores en el rango de -1 a 1
        # y media de cero
        self.pesos_sinaptico = 2 * random.random((3, 1)) - 1

    # La función sigmoid, describe una curva S.
    #Se pasa la suma de los pesos de las entradas a esta función
    # se normaliza entre 0 y 1.
    def __sigmoide(self, x):
        return 1 / (1 + exp(-x))

    # La derivada de la función sigmoid es el gradiente de la curva sigmoide
    def __derivada_sigmoide(self, x):
        return x * (1 - x)


    # Se entrena la red neuronal desde un proceso de ensayo y error
    # ajustando los pesos de las sinapcis cada vez
    def entrenar(self, datos_entrenamiento_entrada, datos_entrenamiento_salida, numero_iteraciones):
        for iteracion in range(numero_iteraciones):
            # Se para  los datos de entrenamiento a la red neuronal (una neurona)
            salida = self.pensar(datos_entrenamiento_entrada)

            # calculo del error (la diferencia entre la salida deseada y la que se predice
            error = datos_entrenamiento_salida - salida

            # multiplicar el error por la entrada y de nuevo por el gradiente de la curva sigmoide
            # Esto significa menos presos cercanos son ajustados más
            # esto significa las entradas las cuales son ceros, no causan
            # cambios a los pesos.
            ajuste = dot(datos_entrenamiento_entrada.T, error * self.__derivada_sigmoide(salida))

            # se ajustan los pesos
            self.pesos_sinaptico += ajuste

    # la neurona piensa.se le pasa las entradas.
    def pensar(self, entradas):
        # pasas las entradas a la red neuronal, se devuelve la función de activación(sigmoide)
        #se hace el producto punto de las entradas junto con los pesos.
        return self.__sigmoide(dot(entradas, self.pesos_sinaptico))

In [4]:

#Se inicializa una neurona de la red neuronal.
red_neuronal = RedNeuronal()

print ("Pesos iniciales de la sinaptic:\n {}".format(red_neuronal.pesos_sinaptico))

# Conjunto de datos de entradas y salidas para el entrenamiento de la neurona.
#se tienen 4 muestras, cada consiste de 3 valores de entrada y 1 no de salida
datos_entrada = array([[0, 0, 1], [1, 1, 1], [1, 0, 1], [0, 1, 1]])
datos_salida = array([[0, 1, 1, 0]]).T

# Se entrena a la red neuronal con el conjunto de datos
#Se entrena unas 10 mil veces y se hace un pequeño ajuste cada vez
red_neuronal.entrenar(datos_entrada, datos_salida, 100000)

print ("Nuevos pesos sinapticos luego del entrenamiento:\n{}".format(red_neuronal.pesos_sinaptico))

# Se prueba la red neuronal con un nuevo escenario de datos
print ("Considere la nueva situación [1, 0, 0] -> ?: {}".format(red_neuronal.pensar(array([1, 0, 0]))))

Pesos iniciales de la sinaptic:

 [[-0.16595599]
 [ 0.44064899]
 [-0.99977125]]

Nuevos pesos sinapticos luego del entrenamiento:

[[12.00870061]
 [-0.2044116 ]
 [-5.8002822 ]]

Considere la nueva situación [1, 0, 0] -> ?: [0.99999391]

El resultado para el caso de [1,0,0] es 1.

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