| 1 | #!/usr/bin/env python |
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| 2 | #-*- coding:utf-8 -*- |
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| 3 | |
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| 4 | import sys, os |
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| 5 | from foundation import Indication, Indications |
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| 6 | |
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| 7 | try: |
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| 8 | from pybrain.tools.shortcuts import buildNetwork |
|---|
| 9 | from pybrain.datasets import SupervisedDataSet |
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| 10 | from pybrain.structure import RecurrentNetwork, LinearLayer, SigmoidLayer |
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| 11 | from pybrain.supervised import RPropMinusTrainer |
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| 12 | except: |
|---|
| 13 | raise ImportError("this module needs pybrain.") |
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| 14 | |
|---|
| 15 | class FeedForwardNetwork (Indication): |
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| 16 | """ |
|---|
| 17 | 隠れレイヤの関数にシグモイド関数、学習に逆誤差伝搬法を用いた、 |
|---|
| 18 | 単純ニューラルネットワーク型のクラスです. |
|---|
| 19 | 与えられた指標群のデータから、対象となる指標の値を推定します. |
|---|
| 20 | """ |
|---|
| 21 | @classmethod |
|---|
| 22 | def isRealIndication(cls): return True |
|---|
| 23 | @classmethod |
|---|
| 24 | def getType(cls): return float |
|---|
| 25 | |
|---|
| 26 | def __init__(self, indications, target, network=None, |
|---|
| 27 | hiddenLayers=10, dim=1, verbose=True, parent=None): |
|---|
| 28 | """ |
|---|
| 29 | オブジェクトのコンストラクタです. |
|---|
| 30 | |
|---|
| 31 | indications : 対象となるIndicationsインスタンス |
|---|
| 32 | target : 学習先となる指標 |
|---|
| 33 | network : 使用するネットワーク.指定されない場合は新規に作成される |
|---|
| 34 | hiddenLayers : 隠れレイヤに用いるシグモイドユニットの数 |
|---|
| 35 | dim : 隠れレイヤの数 |
|---|
| 36 | verbose : 詳細なログを出力するか.デフォルトはTrue |
|---|
| 37 | parent : 親となるオブジェクト |
|---|
| 38 | """ |
|---|
| 39 | Indication.__init__(self, None, parent) |
|---|
| 40 | |
|---|
| 41 | if isinstance(indications, Indications): |
|---|
| 42 | self.__indications = indications |
|---|
| 43 | else: raise TypeError("the attribute 'indications' is not valid.") |
|---|
| 44 | if issubclass(target.__class__, Indication): |
|---|
| 45 | self.__target = target |
|---|
| 46 | else: raise TypeError("the attribute 'target' is not valid.") |
|---|
| 47 | |
|---|
| 48 | assert hiddenLayers > 0 |
|---|
| 49 | assert dim > 0 |
|---|
| 50 | self.__hiddenLayers = hiddenLayers |
|---|
| 51 | self.__dim = dim |
|---|
| 52 | self.__verbose = verbose |
|---|
| 53 | |
|---|
| 54 | if network: self.__network = network |
|---|
| 55 | else: |
|---|
| 56 | args = [len(self.indications),] |
|---|
| 57 | args += [hiddenLayers for i in xrange(dim)] |
|---|
| 58 | args += [1,] |
|---|
| 59 | kwargs = {"outputbias":False, "recurrent":False} |
|---|
| 60 | self.__network = buildNetwork(*args, **kwargs) |
|---|
| 61 | |
|---|
| 62 | self.__dataset = SupervisedDataSet(len(self.indications), 1) |
|---|
| 63 | self.__trainer = RPropMinusTrainer(self.__network, verbose=verbose) |
|---|
| 64 | |
|---|
| 65 | def getVerbose(self): return self.__verbose |
|---|
| 66 | def setVerbose(self, v): |
|---|
| 67 | self.__verbose = v |
|---|
| 68 | self.__trainer.verbose = v |
|---|
| 69 | verbose = property(getVerbose, setVerbose) |
|---|
| 70 | |
|---|
| 71 | def getIndications(self): return self.__indications |
|---|
| 72 | def setIndications(self, i): |
|---|
| 73 | if isinstance(i, Indications): |
|---|
| 74 | self.__indications = i |
|---|
| 75 | else: raise AttributeError |
|---|
| 76 | indications = property(getIndications, setIndications) |
|---|
| 77 | |
|---|
| 78 | def getTarget(self): return self.__target |
|---|
| 79 | def setTarget(self, t): |
|---|
| 80 | if issubclass(t.__class__, Indication): |
|---|
| 81 | self.__target = t |
|---|
| 82 | else: raise AttributeError |
|---|
| 83 | target = property(getTarget, setTarget) |
|---|
| 84 | |
|---|
| 85 | def getNetwork(self): return self.__network |
|---|
| 86 | network = property(getNetwork) |
|---|
| 87 | |
|---|
| 88 | def getHiddenLayers(self): return self.__hiddenlayers |
|---|
| 89 | hiddenlayers = property(getHiddenLayers) |
|---|
| 90 | |
|---|
| 91 | def getDim(self): return self.__dim |
|---|
| 92 | dim = property(getDim) |
|---|
| 93 | |
|---|
| 94 | def getDataset(self): return self.__dataset |
|---|
| 95 | dataset = property(getDataset) |
|---|
| 96 | |
|---|
| 97 | def getTrainer(self): return self.__trainer |
|---|
| 98 | trainer = property(getTrainer) |
|---|
| 99 | |
|---|
| 100 | def getDescription(self): return "NeuralNet" |
|---|
| 101 | |
|---|
| 102 | def addSamples(self, start, end): |
|---|
| 103 | """ |
|---|
| 104 | 学習に必要なサンプルを指定されたtの範囲で収集します. |
|---|
| 105 | """ |
|---|
| 106 | for t in xrange(start, end): |
|---|
| 107 | input_list = [c.getScalar(t) for c in self.indications] |
|---|
| 108 | output_list = [self.target.getScalar(t),] |
|---|
| 109 | self.__dataset.addSample(input_list, output_list) |
|---|
| 110 | |
|---|
| 111 | def clearSamples(self): |
|---|
| 112 | """ |
|---|
| 113 | サンプルを消去します. |
|---|
| 114 | """ |
|---|
| 115 | self.__dataset = SupervisedDataSet(len(self.indications), 1) |
|---|
| 116 | |
|---|
| 117 | def train(self): |
|---|
| 118 | """ |
|---|
| 119 | 与えられたサンプルを元に、ネットワークの学習を行います. |
|---|
| 120 | """ |
|---|
| 121 | self.__trainer.trainOnDataset(self.__dataset) |
|---|
| 122 | |
|---|
| 123 | def trainEpochs(self, epochs=2): |
|---|
| 124 | """ |
|---|
| 125 | 指定された回数分だけ学習を行います. |
|---|
| 126 | """ |
|---|
| 127 | self.__trainer.trainOnDataset(self.__dataset, epochs) |
|---|
| 128 | |
|---|
| 129 | def trainUntilConvergence(self, validationProportion=0.25): |
|---|
| 130 | """ |
|---|
| 131 | ネットワークが指定された誤り率以下になるまで学習を繰り返します. |
|---|
| 132 | """ |
|---|
| 133 | vp = validationProportion |
|---|
| 134 | self.__trainer.trainUntilConvergence(dataset=self.__dataset, |
|---|
| 135 | validationProportion = vp) |
|---|
| 136 | |
|---|
| 137 | def evaluate(self, t): |
|---|
| 138 | args = [c.getScalar(t) for c in self.indications] |
|---|
| 139 | return self.network.activate(args)[0] |
|---|
| 140 | |
|---|
| 141 | |
|---|
| 142 | class RecurrentNetwork (Indication): |
|---|
| 143 | """ |
|---|
| 144 | RNNを用いたニューラルネットワーク型のクラスです. |
|---|
| 145 | 与えられた指標群のデータから、対象となる指標の値を推定します. |
|---|
| 146 | """ |
|---|
| 147 | @classmethod |
|---|
| 148 | def isRealIndication(cls): return True |
|---|
| 149 | @classmethod |
|---|
| 150 | def getType(cls): return float |
|---|
| 151 | |
|---|
| 152 | def __init__(self, indications, target, network=None, |
|---|
| 153 | hiddenLayers=10, dim=1, verbose=True, parent=None): |
|---|
| 154 | """ |
|---|
| 155 | オブジェクトのコンストラクタです. |
|---|
| 156 | |
|---|
| 157 | indications : 対象となるIndicationsインスタンス |
|---|
| 158 | target : 学習先となる指標 |
|---|
| 159 | network : 使用するネットワーク.指定されない場合は新規に作成される |
|---|
| 160 | hiddenLayers : 隠れレイヤに用いるシグモイドユニットの数 |
|---|
| 161 | dim : 隠れレイヤの数 |
|---|
| 162 | parent : 親となるオブジェクト |
|---|
| 163 | """ |
|---|
| 164 | Indication.__init__(self, None, parent) |
|---|
| 165 | if isinstance(indications, Indications): |
|---|
| 166 | self.__indications = indications |
|---|
| 167 | else: raise TypeError("the attribute 'indications' is not valid.") |
|---|
| 168 | if issubclass(target.__class__, Indication): |
|---|
| 169 | self.__target = target |
|---|
| 170 | else: raise TypeError("the attribute 'target' is not valid.") |
|---|
| 171 | |
|---|
| 172 | assert hiddenLayers > 0 |
|---|
| 173 | assert dim > 0 |
|---|
| 174 | self.__hiddenLayers = hiddenLayers |
|---|
| 175 | self.__dim = dim |
|---|
| 176 | self.__verbose = verbose |
|---|
| 177 | |
|---|
| 178 | if network: self.__network = network |
|---|
| 179 | else: |
|---|
| 180 | args = [len(self.indications),] |
|---|
| 181 | args += [hiddenLayers for i in xrange(dim)] |
|---|
| 182 | args += [1,] |
|---|
| 183 | kwargs = {"outputbias":False, "recurrent":False} |
|---|
| 184 | rnn = buildNetwork(*args, **kwargs) |
|---|
| 185 | self.__network = rnn |
|---|
| 186 | |
|---|
| 187 | self.__dataset = SupervisedDataSet(len(self.indications), 1) |
|---|
| 188 | self.__trainer = RPropMinusTrainer(self.__network, |
|---|
| 189 | self.__dataset, verbose=verbose) |
|---|
| 190 | |
|---|
| 191 | def getVerbose(self): return self.__verbose |
|---|
| 192 | def setVerbose(self, v): |
|---|
| 193 | self.__verbose = v |
|---|
| 194 | self.__trainer.verbose = v |
|---|
| 195 | verbose = property(getVerbose, setVerbose) |
|---|
| 196 | |
|---|
| 197 | def getIndications(self): return self.__indications |
|---|
| 198 | def setIndications(self, i): |
|---|
| 199 | if isinstance(i, Indications): |
|---|
| 200 | self.__indications = i |
|---|
| 201 | else: raise AttributeError |
|---|
| 202 | indications = property(getIndications, setIndications) |
|---|
| 203 | |
|---|
| 204 | def getTarget(self): return self.__target |
|---|
| 205 | def setTarget(self, t): |
|---|
| 206 | if issubclass(t.__class__, Indication): |
|---|
| 207 | self.__target = t |
|---|
| 208 | else: raise AttributeError |
|---|
| 209 | target = property(getTarget, setTarget) |
|---|
| 210 | |
|---|
| 211 | def getNetwork(self): return self.__network |
|---|
| 212 | network = property(getNetwork) |
|---|
| 213 | |
|---|
| 214 | def getHiddenLayers(self): return self.__hiddenlayers |
|---|
| 215 | hiddenlayers = property(getHiddenLayers) |
|---|
| 216 | |
|---|
| 217 | def getDim(self): return self.__dim |
|---|
| 218 | dim = property(getDim) |
|---|
| 219 | |
|---|
| 220 | def getDataset(self): return self.__dataset |
|---|
| 221 | dataset = property(getDataset) |
|---|
| 222 | |
|---|
| 223 | def getTrainer(self): return self.__trainer |
|---|
| 224 | trainer = property(getTrainer) |
|---|
| 225 | |
|---|
| 226 | def getDescription(self): return "ReccurentNeuralNet" |
|---|
| 227 | |
|---|
| 228 | def addSamples(self, start, end): |
|---|
| 229 | """ |
|---|
| 230 | 学習に必要なサンプルを指定されたtの範囲で収集します. |
|---|
| 231 | """ |
|---|
| 232 | for t in xrange(start, end): |
|---|
| 233 | input_list = [c.getScalar(t) for c in self.indications] |
|---|
| 234 | output_list = [self.target.getScalar(t),] |
|---|
| 235 | self.__dataset.addSample(input_list, output_list) |
|---|
| 236 | |
|---|
| 237 | def clearSamples(self): |
|---|
| 238 | """ |
|---|
| 239 | サンプルを消去します. |
|---|
| 240 | """ |
|---|
| 241 | self.__dataset = SupervisedDataSet(len(self.indications), 1) |
|---|
| 242 | |
|---|
| 243 | def train(self): |
|---|
| 244 | """ |
|---|
| 245 | 与えられたサンプルを元に、ネットワークの学習を行います. |
|---|
| 246 | """ |
|---|
| 247 | self.__trainer.trainOnDataset(self.__dataset) |
|---|
| 248 | |
|---|
| 249 | def trainEpochs(self, epochs=2): |
|---|
| 250 | """ |
|---|
| 251 | 指定された回数分だけ学習を行います. |
|---|
| 252 | """ |
|---|
| 253 | self.__trainer.trainOnDataset(self.__dataset, epochs) |
|---|
| 254 | |
|---|
| 255 | def trainUntilConvergence(self, validationProportion=0.25): |
|---|
| 256 | """ |
|---|
| 257 | ネットワークが指定された誤り率以下になるまで学習を繰り返します. |
|---|
| 258 | """ |
|---|
| 259 | vp = validationProportion |
|---|
| 260 | self.__trainer.trainUntilConvergence(dataset=self.__dataset, |
|---|
| 261 | validationProportion = vp) |
|---|
| 262 | |
|---|
| 263 | def evaluate(self, t): |
|---|
| 264 | args = [c.getScalar(t) for c in self.indications] |
|---|
| 265 | return self.network.activate(args)[0] |
|---|
| 266 | |
|---|