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/*****************************************************************************************************************************
******************************************************************************************************************************
ニューラルネットに必要な関数をまとめたソースファイル
******************************************************************************************************************************
*****************************************************************************************************************************/
#include "NeuralNetwork.h"
/********************************************************
関数名:NeuralNet
説明 :ニューラルネットワークの計算
引数 :double *input 入力層の出力値
_weights *weights 入力層と出力層の間のウエイト値
int funcMode 出力層で計算する関数の設定
const int layer1_num 入力層の数
const int layer2_num 出力層の数
double *output 出力層の出力値
int func 活性化関数指定
出力 :double *output
********************************************************/
void NeuralNet(double *input, _weights *weights, int num, const int layer1_num, const int layer2_num, double *output, double *disOutput, int func){
double *val = new double[layer2_num];
for(int i=0; i<layer2_num; i++){
val[i] = 0;
}
/*if(num==LAYER_NUM-2){
for(int i=0; i<layer1_num; i++){
printf("%10.8lf\t",input[i]);
}
printf("\n");
}*/
for(int j=0; j<layer2_num; j++){
for(int i=0; i<layer1_num; i++){
val[j] += (weights[num].layer[i][j] * input[i]);
}
val[j] += weights[num].bias[j]*1.0;
//if(num==LAYER_NUM-2) printf("%10.8lf\t",val[j]);
}
//if(num==LAYER_NUM-2) printf("\n");
for(int j=0; j<layer2_num; j++){
if(func==0) output[j] = Sigmoid_Func(val[j]); //sigmoid
if(func==1) output[j] = Tanh_Func(val[j]); //tanh
if(func==2) output[j] = ReLU(val[j], 1.0); //ReLU
//if(func=3) output[j] = Sigmoid_Func(val[j], 0.0, 0.5); //leakly_ReLU
if(func==4) output[j] = Softmax(val,layer2_num,j); //Softmax
//if(func=5) output[j] = Linear(val[j], 0.0, 0.5); //Linear
//if(num==LAYER_NUM-2) printf("%10.8lf\t",output[j]);
}
//if(num==LAYER_NUM-2) printf("\n");
for(int j=0; j<layer2_num; j++){
if(func==0) disOutput[j] = dif_Sig_Func(val[j]); //sigmoid
if(func==1) disOutput[j] = dif_Tanh_Func(val[j]); //tanh
if(func==2) disOutput[j] = dif_ReLU(val[j], 1.0); //ReLU
//if(func=3) output[j] = Sigmoid_Func(val[j], 0.0, 0.5); //leakly_ReLU
if(func==4) disOutput[j] = dif_Softmax(val,layer2_num,j); //Softmax
//if(func=5) output[j] = Linear(val[j], 0.0, 0.5); //Linear
//printf("Tanh_Func=%lf\n",Tanh_Func(val[j]) );
//printf("dif_Tanh_Func=%lf\n",dif_Tanh_Func(val[j]) );
//printf("disOutput[%d] = %lf\n",j,disOutput[j]);
}
delete[] val;
}
/********************************************************
関数名:Test_NeuralNet
説明 :ニューラルネットワークの計算
引数 :double *input 入力層の出力値
_weights *weights 入力層と出力層の間のウエイト値
int funcMode 出力層で計算する関数の設定
const int layer1_num 入力層の数
const int layer2_num 出力層の数
double *output 出力層の出力値
int func 活性化関数指定
出力 :double *output
********************************************************/
void Test_NeuralNet(double *input, _weights *weights, int num, const int layer1_num, const int layer2_num, double *output, int func){
double *val = new double[layer2_num];
for(int i=0; i<layer2_num; i++){
val[i] = 0;
}
//printf("val\n");
for(int j=0; j<layer2_num; j++){
for(int i=0; i<layer1_num; i++){
val[j] += (weights[num].layer[i][j] * input[i]);
}
val[j] += weights[num].bias[j]*1.0;
//printf("%+6.7lf\t", val[j]);
}
//printf("\n");
for(int j=0; j<layer2_num; j++){
if(func==0) output[j] = Sigmoid_Func(val[j]); //sigmoid
if(func==1) output[j] = Tanh_Func(val[j]); //tanh
if(func==2) output[j] = ReLU(val[j], 1.0); //ReLU
//if(func=3) output[j] = Sigmoid_Func(val[j], 0.0, 0.5); //leakly_ReLU
if(func==4) output[j] = Softmax(val,layer2_num,j); //Softmax
//if(func=5) output[j] = Linear(val[j], 0.0, 0.5); //Linear
}
delete[] val;
}
/********************************************************
関数名:CalculateError
説明 :目標値との誤差の計算
引数 :const int OUTPUT_NUM 出力層の数
double *layer 出力層の出力値
double *output 目標値
double *error 目標値との差
出力 :double *error
********************************************************/
void CalculateError(const int OUTPUT_NUM, double *layer, double *teach, double *error){
for(int i=0; i<OUTPUT_NUM; i++){
error[i] = teach[i] - layer[i];
}
}
/********************************************************
関数名:BP
説明 :その他の層のウエイト値の学習
引数 :int num 現在の層の番号
int *NEURON_NUM 各層の数
double error_sum 目標値との差の合計
double **disLayer 各層の出力値の微分
double **layer 各層の出力値
_weights *weights 各層の間のウエイト値
出力 :_weights *weights
********************************************************/
void BP(int num, int layer_num, int *NEURON_NUM, double *error, double **disLayer, double **layer, _weights *weights,double ***keep0,double ****keep1){
//5層のbackpropagation
if((layer_num-num)==5){
for(int i=0;i<NEURON_NUM[num];i++){
for(int j=0;j<NEURON_NUM[num+1];j++){
for(int k=0;k<NEURON_NUM[num+2];k++){
for(int l=0;l<NEURON_NUM[num+3];l++){
for(int m=0;m<NEURON_NUM[num+4];m++){
weights[num].delta[i][j] -= error[m] * layer[num][i] * weights[num+1].layer[j][k] * disLayer[num+1][j] * disLayer[num+2][k] * weights[num+2].layer[k][l] * disLayer[num+3][l] * weights[num+3].layer[l][m];
weights[num].delta_bias[j] -= error[m] * 1.0 * weights[num+1].layer[j][k] * disLayer[num+1][j] * disLayer[num+2][k] * weights[num+2].layer[k][l] * disLayer[num+3][l] * weights[num+3].layer[l][m];
}
}
}
//printf("weightsdelta=%lf\n",weights[num].delta[i][j]);
}
}
}
//4層のbackpropagation
if((layer_num-num)==4){
for(int i=0;i<NEURON_NUM[num];i++){
for(int j=0;j<NEURON_NUM[num+1];j++){
for(int k=0;k<NEURON_NUM[num+2];k++){
for(int l=0;l<NEURON_NUM[num+3];l++){
weights[num].delta[i][j] -= error[l] * layer[num][i] * weights[num+1].layer[j][k] * disLayer[num+1][j] * disLayer[num+2][k] * weights[num+2].layer[k][l];
weights[num].delta_bias[j] -= error[l] * 1.0 * weights[num+1].layer[j][k] * disLayer[num+1][j] * disLayer[num+2][k] * weights[num+2].layer[k][l];
}
}
}
}
}
//3層のbackpropagation
if((layer_num-num)==3){
for(int i=0;i<NEURON_NUM[num];i++){
for(int j=0;j<NEURON_NUM[num+1];j++){
for(int k=0;k<NEURON_NUM[num+2];k++){
weights[num].delta[i][j] -= error[k] * layer[num][i] * weights[num+1].layer[j][k] * disLayer[num+1][j];
weights[num].delta_bias[j] -= error[k] * 1.0 * weights[num+1].layer[j][k] * disLayer[num+1][j];
}
}
}
}
//2層のbackpropagation
if((layer_num-num)==2){
for(int i=0;i<NEURON_NUM[num];i++){
for(int j=0;j<NEURON_NUM[num+1];j++){
weights[num].delta[i][j] -= error[j] * layer[num][i];
weights[num].delta_bias[j] -= error[j] * 1.0;
}
}
}
/*for(a=0;a<NEURON_NUM[num];a++){
for(b=0;b<NEURON_NUM[num+1];b++){
if((layer_num-num)>2){
for(c=0;c<NEURON_NUM[num+2];c++){
if((layer_num-num)>3){
for(d=0;d<NEURON_NUM[num+3];d++){
if((layer_num-num)>4){
for(e=0;e<NEURON_NUM[num+4];e++){
if((layer_num-num)>5){
for(f=0;f<NEURON_NUM[num+5];f++){
if((layer_num-num)>6){
for(g=0;g<NEURON_NUM[num+6];g++){
if((layer_num-num)>7){
for(h=0;h<NEURON_NUM[num+7];h++){
if((layer_num-num)>8){
for(i=0;i<NEURON_NUM[num+8];i++){
if((layer_num-num)>9){
for(j=0;j<NEURON_NUM[num+9];j++){
if((layer_num-num)>10){
delta[9] += error_sum*weights[num+8].layer[i][j];
}
}
delta[8] += delta[9] * disLayer[num+8][i]*weights[num+7].layer[h][i];
}
else delta[8] += error_sum*weights[num+7].layer[h][i];
}
delta[7] += delta[8] * disLayer[num+7][h]*weights[num+6].layer[g][h];
}
else delta[7] += error_sum*weights[num+6].layer[g][h];
}
delta[6] += delta[7] * disLayer[num+6][g]*weights[num+5].layer[f][g];
}
else delta[6] += error_sum*weights[num+5].layer[f][g];
}
delta[5] += delta[6] * disLayer[num+5][f]*weights[num+4].layer[e][f];
}
else delta[5] += error_sum*weights[num+4].layer[e][f];
}
delta[4] += delta[5] * disLayer[num+4][e]*weights[num+3].layer[d][e];
}
else delta[4] += error_sum*weights[num+3].layer[d][e];
}
delta[3] += delta[4] * disLayer[num+3][d]*weights[num+2].layer[c][d];
}
else delta[3] += error_sum*weights[num+2].layer[c][d];
printf(" disLayer[%d][%d] = %lf\n",num+3,d , disLayer[num+3][d]);
}
printf("delta[3]=%lf\n",delta[3]);
delta[2] += delta[3] * disLayer[num+2][c]*weights[num+1].layer[b][c];
}
else delta[2] += error_sum*weights[num+1].layer[b][c];
printf(" disLayer[%d][%d] = %lf\n",num+2,c , disLayer[num+2][c]);
}
delta[1] = delta[2] * disLayer[num+1][b] * layer[num][a] ;
delta[0] = delta[2] * disLayer[num+1][b] * 1.0 ;
}else{
delta[1] = error_sum * disLayer[num+1][b] * layer[num][a];
delta[0] = error_sum * disLayer[num+1][b] * 1.0 ;
}
printf(" disLayer[%d][%d] = %lf\n",num+1,b , disLayer[num+1][b]);
keep0[0][num][b] = delta[0];
keep1[0][num][a][b] = delta[1];
printf(" delta[1] = %20.17lf\n", delta[1]);
weights[num].layer[a][b] += ETA2 * delta[1] - ETA2 * 0.001 * weights[num].layer[a][b] + 0.7 * keep1[1][num][a][b];
weights[num].bias[b] += ETA2 * delta[0] + 0.7 * keep0[1][num][b];
keep0[1][num][b] = keep0[0][num][b];
keep1[1][num][a][b] = keep1[0][num][a][b];
}
}
*/
}
void BP_weights_Change(int layer_num, int *NEURON_NUM, _weights *weights,int q){
for(int i=0;i<layer_num-1;i++){
for(int j=0;j<NEURON_NUM[i];j++){
for(int k=0;k<NEURON_NUM[i+1];k++){
weights[i].layer[j][k] += ETA * exp(-((double)(q/1000000))) * weights[i].delta[j][k] ;
weights[i].delta[j][k] = 0;
}
}
}
for(int i=0;i<layer_num-1;i++){
for(int k=0;k<NEURON_NUM[i+1];k++){
weights[i].bias[k] += ETA * exp(-((double)(q/1000000))) * weights[i].delta_bias[k] ;
weights[i].delta_bias[k] = 0;
}
}
}
/********************************************************
関数名:Sigmoid_Func
説明 :シグモイド関数を用いた計算
引数 :double input 入力
double w_o 関数を平行移動させる変数
double w_i 関数の勾配を変化させる変数
double w_o Variable that translates the function
double w_i variable that changes the slope of the function
戻り値:double ( 1.0/( 1.0+exp( -theta*w_i-w_o ) ) );
********************************************************/
double Sigmoid_Func( double input ){
return ( 1.0/( 1.0+exp( -input) ) );
}
/********************************************************
関数名:dif_Sig_Func
説明 :シグモイド関数の微分を計算
引数 :double input 入力
double w_o 関数を平行移動させる変数
double w_i 関数の勾配を変化させる変数
戻り値:double ( 1.0/( 1.0+exp( -theta*w_i-w_o ) ) );
********************************************************/
double dif_Sig_Func(double input){
return(exp(-input)/((1.0+exp( -input))* (1.0 + exp(-input))));
}
/********************************************************
関数名:Tanh_Func
説明 :ハイパボリックタンジェントを計算
引数 :double input 入力
戻り値:double (LU);
********************************************************/
double Tanh_Func( double input ){
//printf("exp(input)+exp(-input)=%lf\n",exp(input)+exp(-input));
return ( (exp(input)-exp(-input))/(exp(input)+exp(-input)) );
}
/********************************************************
関数名:dif_Tanh_Func
説明 :ハイパボリックタンジェントの微分を計算
引数 :double input 入力
戻り値:double (LU);
********************************************************/
double dif_Tanh_Func( double input ){
//printf("dif = %lf",4/((exp(input*0.05)+exp(-input*0.05))*(exp(input*0.05)+exp(-input*0.05))));
return ( 4/((exp(input)+exp(-input))*(exp(input)+exp(-input))) );
}
/********************************************************
関数名:ReLU
説明 :0以上で直線な関数を計算
引数 :double input 入力
double slope 関数の傾きを変化させる変数
戻り値:double (LU);
********************************************************/
double ReLU(double input, double slope){ //slope⇒傾き
double LU;
if (input < 0.0) LU = 0; //for prelu: slope* input * 0.5;
else LU = slope * input;
return(LU);
}
/********************************************************
関数名:dif_ReLU
説明 :0以上で直線な関数の微分を計算
引数 :double input 入力
double slope 関数の傾きを変化させる変数
戻り値:double (LU);
********************************************************/
double dif_ReLU(double input, double slope){ //slope⇒傾き
double dif_LU;
if (input < 0.0) dif_LU = 0; //for prelu slope * 0.5;
else dif_LU = slope;
return(dif_LU);
}
/********************************************************
関数名:Softmax
説明 :Softmax functionを計算
引数 :double input 入力
double slope 関数の傾きを変化させる変数
戻り値:double (LU);
********************************************************/
double Softmax(double *val,double layer_num, int j){
double total = 0;
for(int i=0;i<layer_num;i++){
total += exp(val[i]);
}
return(exp(val[j])/total);
}
/********************************************************
関数名:dif_Softmax
説明 :Softmax functionの微分を計算
引数 :double input 入力
double slope 関数の傾きを変化させる変数
戻り値:double (LU);
********************************************************/
double dif_Softmax(double *val,double layer_num, int j){
double total = 0;
for(int i=0;i<layer_num;i++){
total += exp(val[i]);
}
return(((total-exp(val[j]))*exp(val[j]))/(total*total));
}