【入門】ユニット数増加(Scilab)【数値計算】

MATLAB、Python、Scilab、Julia比較ページはこちら
https://www.simulationroom999.com/blog/comparison-of-matlab-python-scilab/

はじめに
構造と数式【再掲】
Scilabコード
処理結果
まとめ

はじめに

の、

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較第4章その89【ユニット数増加④】

を書き直したもの。

隠れ層のユニット数を増やすことで局所最適解にハマる現象を回避してみる。
今回はScilabで実現。

構造と数式【再掲】

隠れ層のユニットを増やした場合の構成を数式を再掲

\(
y=
\sigma\Bigg(
\begin{bmatrix}
w_{211}&w_{212}&w_{213}&w_{214}&b_2
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
\sigma\bigg(
\begin{bmatrix}
w_{111}&w_{112}&b_1\\
w_{121}&w_{122}&b_1\\
w_{131}&w_{132}&b_1\\
w_{141}&w_{142}&b_1\\
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
x_1\\x_2\\1
\end{bmatrix}
\bigg)\\
1
\end{bmatrix}
\Bigg)
\)

今回はこれをScilabで実現する。

Scilabコード

Scilabコードは以下。

// データの準備
X = [0 0; 0 1; 1 0; 1 1]; // 入力データ
Y = [0; 1; 1; 0]; // 出力データ

// シグモイド関数
function y = sigmoid(x)
    y = 1 ./ (1 + exp(-x));
endfunction

// シグモイド関数の導関数
function y = sigmoid_derivative(x)
    y = sigmoid(x) .* (1 - sigmoid(x));
endfunction

// ネットワークの構築
hidden_size = 4; // 隠れ層のユニット数
output_size = 1; // 出力層のユニット数
learning_rate = 0.5; // 学習率

input_size = size(X, 2);
W1 = rand(input_size, hidden_size, 'normal'); // 入力層から隠れ層への重み行列
b1 = rand(1, hidden_size, 'normal'); // 隠れ層のバイアス項
W2 = rand(hidden_size, output_size, 'normal'); // 隠れ層から出力層への重み行列
b2 = rand(1, output_size, 'normal'); // 出力層のバイアス項

// 学習
epochs = 4000; // エポック数

errors = zeros(epochs, 1); // エポックごとの誤差を保存する配列

for epoch = 1:epochs
    // 順伝播
    Z1 = X * W1 + ones(size(X, 1), 1) * b1; // 隠れ層の入力
    A1 = sigmoid(Z1); // 隠れ層の出力
    Z2 = A1 * W2 + b2; // 出力層の入力
    A2 = sigmoid(Z2); // 出力層の出力

    // 誤差計算（平均二乗誤差）
    error = (1 / size(X, 1)) * sum((A2 - Y).^2);
    errors(epoch) = error;

    // 逆伝播
    delta2 = (A2 - Y) .* sigmoid_derivative(Z2);
    delta1 = (delta2 * W2') .* sigmoid_derivative(Z1);

    grad_W2 = A1' * delta2;
    grad_b2 = sum(delta2);
    grad_W1 = X' * delta1;
    grad_b1 = sum(delta1);

    // パラメータの更新
    W1 = W1 - learning_rate * grad_W1;
    b1 = b1 - learning_rate * grad_b1;
    W2 = W2 - learning_rate * grad_W2;
    b2 = b2 - learning_rate * grad_b2;
end

// 決定境界線の表示
h = 0.01; // メッシュの間隔
[x1, x2] = meshgrid(min(X(:, 1)) - 0.5:h:max(X(:, 1)) + 0.5, min(X(:, 2)) - 0.5:h:max(X(:, 2)) + 0.5);
X_mesh = [x1(:) x2(:)];

hidden_layer_mesh = sigmoid(X_mesh * W1 + ones(size(X_mesh, 1), 1) * b1);
output_layer_mesh = sigmoid(hidden_layer_mesh * W2 + b2);
y_mesh = round(output_layer_mesh); // 出力を0または1に丸める

clf;
x = X_mesh(:, 1);
y = X_mesh(:, 2);

idx_boundary = find(y_mesh(1:$-1) <> y_mesh(2:$)); // 境界のインデックスを取得
boundary_x = x(idx_boundary); // 境界のx座標
boundary_y = y(idx_boundary); // 境界のy座標

scatter(boundary_x, boundary_y, 3, 'k', 'fill'); // 境界を黒でプロット
scatter(X(Y==0, 1), X(Y==0, 2), 100, 'r', 'fill');
scatter(X(Y==1, 1), X(Y==1, 2), 100, 'b', 'fill');
xlabel("X1");
ylabel("X2");
title("XOR Classification");
legend("Boundary", "Class 1", "Class 0");

xgrid; // グリッドの表示