python实现SOM算法

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。
  

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。

python代码实现SOM

import numpy as np
import pylab as pl

class 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 winner

def 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 X
def 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。

参考内容：

1.《机器学习》周志华
2.自组织竞争神经网络SOM

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