R Package ‘nnet’ 详解

红太狼 2021-09-25 15:32 430阅读 0赞

起因：在一次构建模型的过程中发现，用caret Package中的nnet method比使用nnet Package中的nnet效果更好（合作者的说明，准确性待验证），因此来更深层次的学习nnet与catet Package中nnet的实现原理

### Survey on R 'nnet' Package ###

*  获取文档
 *  文档内容
 *   *  nnet介绍
     *  使用方法
     *   *  使用类formula
         *  正常理解X、Y方法
         *  运行实例如下
         *  参数说明
 *  原理学习

# 获取文档 #

从[CRAN Packages By Name][]网站中获取到nnet与caret的文档。  
nnet相对简单，而caret极其复杂，还需要用到它的[学习手册][Link 1]。

# 文档内容 #

nnet 包中主要有如下几部分内容

*  class.ind
 *  multinom
 *  nnet
 *  nnetHess
 *  predict.nnet
 *  which.is.max

为解决问题，目前只需考虑学习nnet即可，这也是大部分人用所需要了解的部分。但为了契合本文标题，其他各部分内容于后续补充。

下图为nnet方法及其用法说明  
![introduction of nnet method and its usage][]

## nnet介绍 ##

nnet是一个只有单一隐藏层的神经网络，也可以跳过这个隐藏层连接（通过设置size为0，见后面参数介绍），因此从其网络结构来看，其效果必然有限，无法出色解决十分复杂的问题。

## 使用方法 ##

一共有两种使用方法如下。讲解顺序如下：先举运行实例，再对其中的参数进行说明

### 使用类formula ###

## S3 method for class 'formula'
    nnet(formula, data, weights, ..., subset, na.action, contrasts = NULL)

### 正常理解X、Y方法 ###

## Default S3 method
    nnet(x, y, weights, )

### 运行实例如下 ###

rm(list = ls())
    library(nnet)
    # use the iris3 dataset as an example （a built-in dataset)
    dim(iris)	# output: [1] 50 4 3
    
    ## Default S3 method
    # construct the factor X and targets Y
    ir <- rbind(iris3[,,1],iris3[,,2],iris3[,,3])
    targets <- class.ind( c(rep("s", 50), rep("c", 50), rep("v", 50)) )
    # sampling, half of each kind
    samp <- c(sample(1:50,25), sample(51:100,25), sample(101:150,25))
    # built and train ANN model
    ir1 <- nnet(ir[samp,], targets[samp,], size = 2, rang = 0.1, decay = 5e-4, maxit = 200)
    # check the prediction of this model
    test.cl <- function(true, pred) { 
    	true <- max.col(true)
    	cres <- max.col(pred)
    	table(true, cres)
    }
    test.cl(targets[-samp,], predict(ir1, ir[-samp,]))
    # check the parameters of this model
    summary(ir1)
    
    ## or
    # construct the dataset
    ird <- data.frame(rbind(iris3[,,1], iris3[,,2], iris3[,,3]), species = factor(c(rep("s",50), rep("c", 50), rep("v", 50))))
    # built and train ANN model
    ir.nn2 <- nnet(species ~ ., data = ird, subset = samp, size = 2, rang = 0.1, decay = 5e-4, maxit = 200)
    # check the prediction of this model
    table(ird$species[-samp], predict(ir.nn2, ird[-samp,], type = "class"))
    # check the parameters of this model
    summary(ir.nn2)

### 参数说明 ###

先附上文档中的图，等写完后面的原理再回来补  
其中划线表示常用，1表示第一种用法需要，2表示第二种用法需要，0表示两种用法都需要  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5puM562x5aCD_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5puM562x5aCD_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

# 原理学习 #

Optimization is done via the BFGS method of optim.  
从文档中可以得知，该nnet优化方法是BFGS算法，接下来就进行BFGS的学习

未完待续…

[CRAN Packages By Name]: https://cran.r-project.org/web/packages/available_packages_by_name.html
[Link 1]: http://topepo.github.io/caret/train-models-by-tag.html
[introduction of nnet method and its usage]: /images/20210923/82ba5d9b3f1b417ca9dcf6458aeead63.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5puM562x5aCD_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20210923/e1c5ae21edfd4f6eb00188e568dd6e14.png
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