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Python怎么实现绘制多种激活函数曲线

准备工作:下载numpy、matplotlib、sympypipinstallnumpymatplotlibsympy查找对应库的文档:numpy文档matplotlib文档sympy文档写代码的时候发现vscode不会格式化我的python?查了一下原来还要安装flake8和yapf,一个是检查代码规范工具一个是格式化工具,接着进行配置setting.json"python.linting.flake8Enabled":true,//规范检查工具"python.formatting.provider":

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    准备工作:下载numpy、matplotlib、sympy

    pip install numpy matplotlib sympy

    查找对应库的文档:

    numpy文档 matplotlib文档 sympy文档

    写代码的时候发现vscode不会格式化我的python?查了一下原来还要安装flake8和yapf,一个是检查代码规范工具一个是格式化工具,接着进行配置setting.json

    "python.linting.flake8Enabled": true, // 规范检查工具
    "python.formatting.provider": "yapf", // 格式化工具
    "python.linting.flake8Args": ["--max-line-length=248"], // 设置单行最长字符限制
    "python.linting.pylintEnabled": false, // 关闭pylint工具

    准备工作完成, 接下来就看看怎么写代码

    第一步 新建一个py文件

    先把激活函数的函数表达式写出来,这有两种方式,如果只是单纯的得出计算结果,其实用numpy就足够了,但是还要自己去求导,那就需要用sympy写出函数式了。

    sympy表达函数的方式是这样的:

    from sympy import symbols, evalf, diff
    # 我们先要定义自变量是什么,这边按需求来,这是文档的例子有两个变量
    x, y = symbols('x y')
    # 然后我们写出函数表达式
    expr = x + 2*y
    # 输出看一下是什么东西
    expr # x + 2*y
    # 接着就要用我们定义的函数了
    expr.evalf(subs={x: 10, y: 20}) # 50.000000
    # 再对我们的函数求导
    diff(expr, x, 1) # 对x进行求导得出结果 1,这也是表达式

    diff为sympy的求导函数

    sympy.core.function.diff(f, *symbols, **kwargs)

    接着我们定义激活函数的表达式

    def sigmoid():
        """
        定义sigmoid函数
        """
        x = symbols('x')
        return 1. / (1 + exp(-x))
    def tanh():
        """
        定义tanh函数
        """
        x = symbols('x')
        return (exp(x) - exp(-x)) / (exp(x) + exp(-x))
    def relu():
        """
        定义ReLU函数
        """
        x = symbols('x')
        return Piecewise((0, x < 0), (x, x >= 0))
    def leakyRelu():
        """
        定义Leaky ReLu函数
        """
        x = symbols('x')
        return Piecewise((0.1 * x, x < 0), (x, x >= 0))
    def softMax(x: np.ndarray):
        """
        定义SoftMax函数\n
        """
        exp_x = np.exp(x)
        print(exp_x, np.sum(exp_x))
        return exp_x / np.sum(exp_x)
    def softmax_derivative(x):
        """
        定义SoftMax导数函数\n
        x - 输入x向量
        """
        s = softMax(x)
        return s * (1 - s)

    然后再定义一个求导函数

    def derivate(formula, len, variate):
        """
        定义函数求导
          formula:函数公式
          len:求导次数
          variate:自变量
        """
        return diff(formula, variate, len)

    这边有一个问题,为什么其他函数都是一个,而softMax函数有两个,一个是softMax函数定义,一个是其导函数定义?

    我们看一下softMax函数的样子

    Python怎么实现绘制多种激活函数曲线

    softMax函数分母需要写累加的过程,使用numpy.sum无法通过sympy去求导(有人可以,我不知道为什么,可能是使用方式不同,知道的可以交流一下)而使用sympy.Sum或者sympy.summation又只能从i到n每次以1为单位累加

    例如:假定有个表达式为 m**x (m的x次方)sympy.Sum(m**x, (x, 0, 100))则结果为m**100 + m**99 + m**98 … + m**1,而我定义的ndarray又是np.arange(-10, 10, 0.05),这就无法达到要求,就无法进行求导。

    所以就写两个函数,一个是原函数定义,一个是导函数定义,并且之前也说了,如果是求值的话,其实只用numpy就可以完成。

    至此,所有函数以及导函数就被我们定义好了

    第二步 使用matplotlib绘制曲线

    首先,我们得知道matplotlib有什么吧

    matplotlib主要有Figure、Axes、Axis、Artist。我理解为figure就是画布,我们在绘制图形之前得准备好画布;axes和axis翻译都是轴的意思,但是axes应该是坐标轴,axis是坐标轴中的某一个轴;artist为其他可加入的元素

    如果要绘制一张简单的图可以这样做

    x = np.linspace(0, 2, 100)  # Sample data.
    
    # Note that even in the OO-style, we use `.pyplot.figure` to create the Figure.
    fig, ax = plt.subplots(figsize=(5, 2.7), layout='constrained')
    ax.plot(x, x, label='linear')  # Plot some data on the axes.
    ax.plot(x, x**2, label='quadratic')  # Plot more data on the axes...
    ax.plot(x, x**3, label='cubic')  # ... and some more.
    ax.set_xlabel('x label')  # Add an x-label to the axes.
    ax.set_ylabel('y label')  # Add a y-label to the axes.
    ax.set_title("Simple Plot")  # Add a title to the axes.
    ax.legend()  # Add a legend.

    然后我们准备绘制我们的函数曲线了

    plt.xlabel('x label') // 两种方式加label,一种为ax.set_xlabel(面向对象),一种就是这种(面向函数)
    plt.ylabel('y label')

    加完laben之后 ,我考虑了两种绘制方式,一是把所有曲线都绘制在一个figure里面,但是分为不同的axes

    使用subplot函数可以把figure分为2行2列的axes

    plt.subplot(2, 2, 1, adjustable='box') # 1行1列
    plt.subplot(2, 2, 2, adjustable='box') # 1行2列

    第二个是通过输入函数名绘制指定的函数

    do = input( 'input function expression what you want draw(sigmoid, tanh, relu, leakyRelu, softMax)\n' )

    得到输入之后

     try:
            plt.xlabel('x label')
            plt.ylabel('y label')
            plt.title(do)
            if (do == 'softMax'):
                plt.plot(num, softMax(num), label='Softmax')
                plt.plot(num, softmax_derivative(num), label='Softmax Derivative')
            else:
                plt.plot(
                    num,
                    [eval(f'{do}()').evalf(subs={symbols("x"): i}) for i in num])
                plt.plot(num, [
                    derivate(eval(f'{do}()'), 1, 'x').evalf(subs={symbols('x'): i})
                    for i in num
                ])
    
            plt.tight_layout()
            plt.show()
        except TypeError:
            print(
                'input function expression is wrong or the funciton is not configured'
            )

    这就完活了,附一张卖家秀

    Python怎么实现绘制多种激活函数曲线

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