ML-From-Scratch README

The project's README from github.com/eriklindernoren/ML-From-Scratch. As one markdown file: README.md.

Machine Learning From Scratch

About

Python implementations of some of the fundamental Machine Learning models and algorithms from scratch.

The purpose of this project is not to produce as optimized and computationally efficient algorithms as possible but rather to present the inner workings of them in a transparent and accessible way.

Table of Contents

Installation

$ git clone https://github.com/eriklindernoren/ML-From-Scratch
$ cd ML-From-Scratch
$ python setup.py install

Examples

Polynomial Regression

$ python mlfromscratch/examples/polynomial_regression.py

Figure: Training progress of a regularized polynomial regression model fitting
temperature data measured in Linköping, Sweden 2016.

Classification With CNN

$ python mlfromscratch/examples/convolutional_neural_network.py

+---------+
| ConvNet |
+---------+
Input Shape: (1, 8, 8)
+----------------------+------------+--------------+
| Layer Type           | Parameters | Output Shape |
+----------------------+------------+--------------+
| Conv2D               | 160        | (16, 8, 8)   |
| Activation (ReLU)    | 0          | (16, 8, 8)   |
| Dropout              | 0          | (16, 8, 8)   |
| BatchNormalization   | 2048       | (16, 8, 8)   |
| Conv2D               | 4640       | (32, 8, 8)   |
| Activation (ReLU)    | 0          | (32, 8, 8)   |
| Dropout              | 0          | (32, 8, 8)   |
| BatchNormalization   | 4096       | (32, 8, 8)   |
| Flatten              | 0          | (2048,)      |
| Dense                | 524544     | (256,)       |
| Activation (ReLU)    | 0          | (256,)       |
| Dropout              | 0          | (256,)       |
| BatchNormalization   | 512        | (256,)       |
| Dense                | 2570       | (10,)        |
| Activation (Softmax) | 0          | (10,)        |
+----------------------+------------+--------------+
Total Parameters: 538570

Training: 100% [------------------------------------------------------------------------] Time: 0:01:55
Accuracy: 0.987465181058

Figure: Classification of the digit dataset using CNN.

Density-Based Clustering

$ python mlfromscratch/examples/dbscan.py

Figure: Clustering of the moons dataset using DBSCAN.

Generating Handwritten Digits

$ python mlfromscratch/unsupervised_learning/generative_adversarial_network.py

+-----------+
| Generator |
+-----------+
Input Shape: (100,)
+------------------------+------------+--------------+
| Layer Type             | Parameters | Output Shape |
+------------------------+------------+--------------+
| Dense                  | 25856      | (256,)       |
| Activation (LeakyReLU) | 0          | (256,)       |
| BatchNormalization     | 512        | (256,)       |
| Dense                  | 131584     | (512,)       |
| Activation (LeakyReLU) | 0          | (512,)       |
| BatchNormalization     | 1024       | (512,)       |
| Dense                  | 525312     | (1024,)      |
| Activation (LeakyReLU) | 0          | (1024,)      |
| BatchNormalization     | 2048       | (1024,)      |
| Dense                  | 803600     | (784,)       |
| Activation (TanH)      | 0          | (784,)       |
+------------------------+------------+--------------+
Total Parameters: 1489936

+---------------+
| Discriminator |
+---------------+
Input Shape: (784,)
+------------------------+------------+--------------+
| Layer Type             | Parameters | Output Shape |
+------------------------+------------+--------------+
| Dense                  | 401920     | (512,)       |
| Activation (LeakyReLU) | 0          | (512,)       |
| Dropout                | 0          | (512,)       |
| Dense                  | 131328     | (256,)       |
| Activation (LeakyReLU) | 0          | (256,)       |
| Dropout                | 0          | (256,)       |
| Dense                  | 514        | (2,)         |
| Activation (Softmax)   | 0          | (2,)         |
+------------------------+------------+--------------+
Total Parameters: 533762

Figure: Training progress of a Generative Adversarial Network generating
handwritten digits.

Deep Reinforcement Learning

$ python mlfromscratch/examples/deep_q_network.py

+----------------+
| Deep Q-Network |
+----------------+
Input Shape: (4,)
+-------------------+------------+--------------+
| Layer Type        | Parameters | Output Shape |
+-------------------+------------+--------------+
| Dense             | 320        | (64,)        |
| Activation (ReLU) | 0          | (64,)        |
| Dense             | 130        | (2,)         |
+-------------------+------------+--------------+
Total Parameters: 450

Figure: Deep Q-Network solution to the CartPole-v1 environment in OpenAI gym.

Image Reconstruction With RBM

$ python mlfromscratch/examples/restricted_boltzmann_machine.py

Figure: Shows how the network gets better during training at reconstructing
the digit 2 in the MNIST dataset.

Evolutionary Evolved Neural Network

$ python mlfromscratch/examples/neuroevolution.py

+---------------+
| Model Summary |
+---------------+
Input Shape: (64,)
+----------------------+------------+--------------+
| Layer Type           | Parameters | Output Shape |
+----------------------+------------+--------------+
| Dense                | 1040       | (16,)        |
| Activation (ReLU)    | 0          | (16,)        |
| Dense                | 170        | (10,)        |
| Activation (Softmax) | 0          | (10,)        |
+----------------------+------------+--------------+
Total Parameters: 1210

Population Size: 100
Generations: 3000
Mutation Rate: 0.01

[0 Best Individual - Fitness: 3.08301, Accuracy: 10.5%]
[1 Best Individual - Fitness: 3.08746, Accuracy: 12.0%]
...
[2999 Best Individual - Fitness: 94.08513, Accuracy: 98.5%]
Test set accuracy: 96.7%

Figure: Classification of the digit dataset by a neural network which has
been evolutionary evolved.

Genetic Algorithm

$ python mlfromscratch/examples/genetic_algorithm.py

+--------+
|   GA   |
+--------+
Description: Implementation of a Genetic Algorithm which aims to produce
the user specified target string. This implementation calculates each
candidate's fitness based on the alphabetical distance between the candidate
and the target. A candidate is selected as a parent with probabilities proportional
to the candidate's fitness. Reproduction is implemented as a single-point
crossover between pairs of parents. Mutation is done by randomly assigning
new characters with uniform probability.

Parameters
----------
Target String: 'Genetic Algorithm'
Population Size: 100
Mutation Rate: 0.05

[0 Closest Candidate: 'CJqlJguPlqzvpoJmb', Fitness: 0.00]
[1 Closest Candidate: 'MCxZxdr nlfiwwGEk', Fitness: 0.01]
[2 Closest Candidate: 'MCxZxdm nlfiwwGcx', Fitness: 0.01]
[3 Closest Candidate: 'SmdsAklMHn kBIwKn', Fitness: 0.01]
[4 Closest Candidate: '  lotneaJOasWfu Z', Fitness: 0.01]
...
[292 Closest Candidate: 'GeneticaAlgorithm', Fitness: 1.00]
[293 Closest Candidate: 'GeneticaAlgorithm', Fitness: 1.00]
[294 Answer: 'Genetic Algorithm']

Association Analysis

$ python mlfromscratch/examples/apriori.py
+-------------+
|   Apriori   |
+-------------+
Minimum Support: 0.25
Minimum Confidence: 0.8
Transactions:
    [1, 2, 3, 4]
    [1, 2, 4]
    [1, 2]
    [2, 3, 4]
    [2, 3]
    [3, 4]
    [2, 4]
Frequent Itemsets:
    [1, 2, 3, 4, [1, 2], [1, 4], [2, 3], [2, 4], [3, 4], [1, 2, 4], [2, 3, 4]]
Rules:
    1 -> 2 (support: 0.43, confidence: 1.0)
    4 -> 2 (support: 0.57, confidence: 0.8)
    [1, 4] -> 2 (support: 0.29, confidence: 1.0)

Implementations

Supervised Learning

Unsupervised Learning

Reinforcement Learning

Deep Learning

Contact

If there's some implementation you would like to see here or if you're just feeling social, feel free to email me or connect with me on LinkedIn.

ML-From-Scratch (eriklindernoren/ML-From-Scratch)

Searching Database…

Что это такое?Python-библиотека базовых моделей и алгоритмов машинного обучения, написанных с нуля на NumPy. Цель — охватить всё: от линейной регрессии до глубокого обучения.
Это библиотека, которую можно использовать в реальных проектах, или материал для того, чтобы разобраться, как работают алгоритмы?Она устанавливается как обычный Python-пакет с запускаемыми примерами, но смысл — обучающий: каждая модель написана с нуля, чтобы можно было в точности прочитать, как она устроена внутри.
Как её установить и запустить?Склонируйте репозиторий, перейдите в него командой cd и выполните python setup.py install. После этого примеры запускаются как обычные скрипты, например python mlfromscratch/examples/dbscan.py для кластеризации по плотности.
Мне нужны TensorFlow или PyTorch, чтобы это запустить?Нет — всё построено на чистом NumPy, без фреймворков глубокого обучения. Единственное дополнение — OpenAI Gym, который используется в примере Deep Q-Network для среды CartPole-v1.
Код достаточно оптимизирован для использования в продакшене?Это не цель: в README прямо сказано, что задача — не оптимизированные и вычислительно эффективные алгоритмы, а прозрачный и доступный взгляд на их внутреннее устройство. Относитесь к этому как к учебному пособию, а не к движку для инференса.
Там есть настоящее глубокое обучение или только классические модели?Есть — небольшая библиотека нейросетей со слоями Conv2D, pooling, dropout и batch normalization, а также типами моделей CNN, многослойный перцептрон и RNN. Демо-CNN достигает точности около 98,7% на датасете цифр примерно с 538 тыс. параметров.
Можно увидеть, как алгоритмы работают вживую?Да — каждый пример это один скрипт: convolutionalneuralnetwork.py обучает CNN на цифрах, dbscan.py кластеризует датасет moons, а другие скрипты запускают deep Q-learning на CartPole, генетический алгоритм и поиск ассоциативных правил Apriori.
Есть ли что-то поинтереснее классификаторов и кластеров?Да — со стороны генеративных и эволюционных моделей здесь есть GAN, синтезирующий рукописные цифры, автоэнкодер, ограниченная машина Больцмана, восстанавливающая изображения MNIST, и нейроэволюция, где сеть не обучается градиентами, а эволюционирует.
Size
0.5 MB
Stars
33K
Updated
CommitOct 18
Age
9y
Commits · 90 Days