手写数字分类 | 机器学习 | Scikit-learn

简介

本教程将向你展示如何使用 Scikit-learn 创建一个 MLPClassifier，以便对 MNIST 数据集中的手写数字进行分类。我们还将可视化 MLP 第一层的权重，以深入了解学习行为。

虚拟机提示

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导入库

我们将首先导入此项目所需的库。

import warnings
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import fetch_openml
from sklearn.exceptions import ConvergenceWarning
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.model_selection import train_test_split

加载数据

接下来，我们将使用 Scikit-learn 的 fetch_openml 函数加载 MNIST 数据集。

X, y = fetch_openml(
    "mnist_784", version=1, return_X_y=True, as_frame=False, parser="pandas"
)

数据预处理

我们将通过将每个像素值除以 255.0（这是最大像素值）来对数据进行归一化处理。

X = X / 255.0

划分数据

我们将使用 train_test_split 函数把数据集划分为训练集和测试集。

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0, test_size=0.7)

训练多层感知器分类器（MLPClassifier）

我们将创建一个具有单个隐藏层且包含 40 个神经元的多层感知器分类器。由于资源限制，我们将仅训练该多层感知器 8 次迭代。我们还将捕获由于模型在有限的迭代次数内无法收敛而抛出的 ConvergenceWarning（收敛警告）。

mlp = MLPClassifier(
    hidden_layer_sizes=(40,),
    max_iter=8,
    alpha=1e-4,
    solver="sgd",
    verbose=10,
    random_state=1,
    learning_rate_init=0.2,
)

with warnings.catch_warnings():
    warnings.filterwarnings("ignore", category=ConvergenceWarning, module="sklearn")
    mlp.fit(X_train, y_train)

评估模型

我们将通过计算多层感知器分类器（MLPClassifier）在训练集和测试集上的准确率来评估它。

print("Training set score: %f" % mlp.score(X_train, y_train))
print("Test set score: %f" % mlp.score(X_test, y_test))

可视化权重

最后，我们将可视化多层感知器（MLP）第一层的权重。我们将创建一个 4x4 的子图网格，并将每个权重显示为一个 28x28 像素的灰度图像。

fig, axes = plt.subplots(4, 4)
vmin, vmax = mlp.coefs_[0].min(), mlp.coefs_[0].max()
for coef, ax in zip(mlp.coefs_[0].T, axes.ravel()):
    ax.matshow(coef.reshape(28, 28), cmap=plt.cm.gray, vmin=0.5 * vmin, vmax=0.5 * vmax)
    ax.set_xticks(())
    ax.set_yticks(())

plt.show()

总结

在本教程中，我们学习了如何使用 Scikit-learn 创建一个多层感知器分类器（MLPClassifier）来对 MNIST 数据集中的手写数字进行分类。我们还可视化了多层感知器第一层的权重，以深入了解其学习行为。

使用多层感知器分类器对手写数字进行分类

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