python - 无法在 Python 中仅用两个隐藏的神经元解决 XOR 问题

Question

我有一个小的 3 层神经网络，有两个输入神经元、两个隐藏神经元和一个输出神经元。我试图坚持以下仅使用 2 个隐藏神经元的格式。

我试图展示如何将其用作 XOR 逻辑门，但是只有两个隐藏的神经元，在 1,000,000 次迭代后，我得到以下糟糕的输出！

Input: 0 0   Output:  [0.01039096]
Input: 1 0   Output:  [0.93708829]
Input: 0 1   Output:  [0.93599738]
Input: 1 1   Output:  [0.51917667]

如果我使用三个隐藏神经元，我会通过 100,000 次迭代获得更好的输出：

Input: 0 0   Output:  [0.01831612]
Input: 1 0   Output:  [0.98558057]
Input: 0 1   Output:  [0.98567602]
Input: 1 1   Output:  [0.02007876]

我得到了一个不错的输出，隐藏层中有 3 个神经元，但隐藏层没有两个神经元。为什么？

根据下面的评论，这个repo包含使用两个隐藏神经元解决 XOR 问题的高代码。

我无法弄清楚我做错了什么。任何建议表示赞赏！附上我的代码：

import numpy as np
import matplotlib
from matplotlib import pyplot as plt


# Sigmoid function
def sigmoid(x, deriv=False):
    if deriv:
        return x * (1 - x)
    return 1 / (1 + np.exp(-x))


alpha = [0.7]

# Input dataset
X = np.array([[0, 0],
              [0, 1],
              [1, 0],
              [1, 1]])

# Output dataset
y = np.array([[0, 1, 1, 0]]).T

# seed random numbers to make calculation deterministic
np.random.seed(1)

# initialise weights randomly with mean 0
syn0 = 2 * np.random.random((2, 3)) - 1  # 1st layer of weights synapse 0 connecting L0 to L1
syn1 = 2 * np.random.random((3, 1)) - 1  # 2nd layer of weights synapse 0 connecting L1 to L2

# Randomize inputs for stochastic gradient descent
data = np.hstack((X, y))    # append Input and output dataset
np.random.shuffle(data)     # shuffle
x, y = np.array_split(data, 2, 1)    # Split along vertical(1) axis

for iter in range(100000):
    for i in range(4):
        # forward prop
        layer0 = x[i]  # Input layer
        layer1 = sigmoid(np.dot(layer0, syn0))  # Prediction step for layer 1
        layer2 = sigmoid(np.dot(layer1, syn1))  # Prediction step for layer 2

        layer2_error = y[i] - layer2  # Compare how well layer2's guess was with input

        layer2_delta = layer2_error * sigmoid(layer2, deriv=True)  # Error weighted derivative step

        if iter % 10000 == 0:
            print("Error: ", str(np.mean(np.abs(layer2_error))))
            plt.plot(iter, layer2_error, 'ro')


        # Uses "confidence weighted error" from l2 to establish an error for l1
        layer1_error = layer2_delta.dot(syn1.T)

        layer1_delta = layer1_error * sigmoid(layer1, deriv=True)  # Error weighted derivative step

        # Since SGD we need to dot product two 1D arrays. This is how.
        syn1 += (alpha * np.dot(layer1[:, None], layer2_delta[None, :]))  # Update weights
        syn0 += (alpha * np.dot(layer0[:, None], layer1_delta[None, :]))

    # Training was done above, below we re run to test algorithm

    layer0 = X  # Input layer
    layer1 = sigmoid(np.dot(layer0, syn0))  # Prediction step for layer 1
    layer2 = sigmoid(np.dot(layer1, syn1))  # Prediction step for layer 2


plt.show()
print("output after training: \n")
print("Input: 0 0 \t Output: ", layer2[0])
print("Input: 1 0 \t Output: ", layer2[1])
print("Input: 0 1 \t Output: ", layer2[2])
print("Input: 1 1 \t Output: ", layer2[3])

标签： pythonnumpyneural-network

Answer 1

这是因为您没有考虑任何bias神经元。您只使用了权重来尝试拟合XOR模型。

如果隐藏层中有 2 个神经元，则网络欠拟合，因为它无法补偿偏差。

当您在隐藏层中使用 3 个神经元时，额外的神经元会抵消由于缺乏偏差而造成的影响。

这是 XOR 门的网络示例。您会注意到theta（偏差）添加到隐藏层。这为网络提供了一个额外的参数来调整。

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