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Initialisation-et-matrice-propre.py
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Initialisation-et-matrice-propre.py
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# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Tue Jun 21 09:04:00 2016
@author: BriceLaTeub
"""
import random
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import math as math
import copy as cp
import scipy.ndimage
# ***** Déclaration des classes *****
class Point():
"Un point de notre plan"
class Prototype():
"Classe pour nos protos"
# ***** Déclaration des fonctions *****
def nombresAleatoires(n):
"Retourne un liste de points générés"
X=[]
for i in range(0,n):
xi = Point()
xi.x = random.uniform(0,10)
xi.y = random.uniform(0,10)
#Chaque point a un identifiant unique
xi.id = i
#Les points à gauche de x=5 sont de classe -1
#les points à droite de classe 1
if (xi.x<5):
xi.label=-1
else :
xi.label = 1
X += [xi]
return X
def decouper_X(X):
"Retourne deux listes, chacune contenant les points d'une certaine classe"
X1,X2 = [],[]
for i in X:
if(i.label ==-1):
X1.append(i)
else:
X2.append(i)
return X1,X2
def prototypes(m,X):
"Retourne une liste contenant tous les protos de classe -1 puis tous ceux de classe 1"
P1=[]
P2=[]
proto1 = Prototype()
proto2 = Prototype()
X1,X2 = decouper_X(X)
listeindice1 = []
listeindice2 = []
for i in range(0,m):
#On crée un prototype qui fait partie des points de classe -1
proto1=Prototype()
indice1 = random.randint(0,len(X1)-1)
while indice1 in listeindice1:
indice1 = random.randint(0,len(X1)-1)
listeindice1.append(indice1)
proto1.x = X1[indice1].x
proto1.y = X1[indice1].y
proto1.label = -1
proto1.reseau = []
proto1.id = i
#On crée un prototype qui fait partie des points de classe 1
proto2=Prototype()
indice2 = random.randint(0,len(X2)-1)
while indice2 in listeindice2:
indice2 = random.randint(0,len(X2)-1)
listeindice2.append(indice2)
proto2.x = X2[indice2].x
proto2.y = X2[indice2].y
proto2.label = 1
proto2.reseau = []
proto2.id = i+m
P1.append(proto1)
P2.append(proto2)
return P1+P2
def association_points_protos(X,P):
"Retourne et modifie la liste P telle que les reseau des protos sont remplis de maniere optimale en fonction des points"
for i in X:
#La distance est une simple norme de la difference entre le point et un proto
distance_min = math.sqrt((i.x-P[0].x)**2+(i.y-P[0].y)**2)
k=0
while (i.label != P[k].label) :
k+=1
proto_min = P[k]
for j in P:
if(i.label == j.label):
distance = math.sqrt((i.x-j.x)**2+(i.y-j.y)**2)
if distance < distance_min :
distance_min = distance
proto_min = j
proto_min.reseau.append(i)
return P
def affiche_point(X) :
for i in X :
print("Point = "+str(i.id)+" | X = "+str(i.x)+" | Y = "+str(i.y)+" | label = "+str(i.label))
def affiche_proto(P):
for i in P :
string2 ="Point "
for j in i.reseau :
string2 += str(j.id)+", "
print("Proto id = "+str(i.id)+" | X = "+str(i.x)+" | Y = "+str(i.y)+" | label = "+str(i.label)+" | Reseau = "+string2)
# ***** Partie EM *****
def descente_gradient(f, gradf, x0list, eps, nmax, gamma, listX):
mins = []
immins = []
for i in range(len(x0list)):
x0 = x0list[i]
alpha = gamma
x = x0
xsuiv = x - alpha*gradf(listX, x)/norm(gradf(listX, x))
n = 1
while(n < nmax and norm(x-xsuiv) > eps):
x = xsuiv
xsuiv = x - alpha*gradf(listX, x)/norm(gradf(listX, x))
#alpha = calculatealpha(f, gradf, x, xsuiv, alpha, gamma, listX)
#alpha = 0.005
n += 1
mins.append(xsuiv)
immins.append(f(listX, xsuiv))
return mins[immins.index(min(immins))]
def iterationDescenteGradien(f,gradf,reseau,epsilon,Nmax):
xfinal = scipy.ndimage.measurements.center_of_mass(np.array([[i.x,i.y] for i in reseau]))
minimum = f([[i.x,i.y] for i in reseau],xfinal)
for i in reseau :
x,valeur = descenteGradientMultiDim(f,gradf,[i.x,i.y],epsilon,Nmax,reseau)
if valeur < minimum :
xfinal = x
minimum = valeur
return xfinal
def descenteGradientMultiDim(f,fp,x0,epsilon,Nmax,reseau):
#print("*** Fonction descenteGradienMultiDim ***"+str(x0))
dimension = np.size(x0)
ecart = epsilon+1;
x_suivant=np.copy(x0)
nb_etape = 0
alpha=1
graphX =[]
graphY= []
while ecart>epsilon and nb_etape<Nmax:
x_precedent = np.copy(x_suivant)
# print("xprecedent "+str(x_precedent))
#Le np.int64 permet de gerer les valeurs grandes de gradien en 64 bits
gradien = np.array(fp(reseau,x_precedent),np.int64)
for i in range(dimension):
#On fait la distinction si la norme = 0 alors c'est que le gradien est nul
# mais on ne peut pas faire "0/0" donc on définie a la main le coeff a 0 dans ce cas
if np.linalg.norm(gradien)!=0:
coeff = gradien/np.linalg.norm(gradien)
else :
coeff = np.zeros(2)
x_suivant[i] = x_precedent[i] - coeff[i]*alpha
signe = f([[t.x,t.y] for t in reseau], x_suivant)-f([[t.x,t.y] for t in reseau], x_precedent)
#J'ai choisis d'incrementer peu alpha, car on place normalement les protos pas trop loins de la bonne valeur
if signe>0 :
alpha = alpha*2
else :
alpha = alpha*0.5
graphY.append(f([[t.x,t.y] for t in reseau], x_suivant))
graphX.append(nb_etape)
ecart = np.linalg.norm(x_precedent-x_suivant)
nb_etape+=1
# print("nb etapes = "+str(nb_etape)+" | alpha = "+str(alpha)+" | ecart = "+str(ecart))
# plt.plot(graphX,graphY ,color = 'r',linestyle = '-', marker='o')
# print("Le minimum trouve vaut : "+str(x_suivant))
# print("***")
return x_suivant,f([[t.x,t.y] for t in reseau],x_suivant)
def f(x) : return x[0]**4+x[1]**4-(x[0]-x[1])**2
def fp(x) : return np.array([4*x[0]**3-2*(x[0]-x[1]),4*x[1]**3+2*(x[0]-x[1])])
def calculatealpha(f, gradf, x, xsuiv, alpha, gamma, listX):
xd = gradf(listX, x)
xdsuiv = gradf(listX, xsuiv)
if(f(listX, xsuiv) - f(listX, x) <= 0):
while(f(listX, xsuiv) - f(listX, x) <= 0):
xdsuiv = gradf(listX, x-alpha*xd)
alpha = alpha*gamma
alpha = alpha/gamma
else:
while(f(listX, xsuiv) - f(listX, X) >= 0):
xdsuiv = gradf(listX, x-alpha*xd)
alpha = alpha/gamma
alpha = alpha*gamma
return alpha
def samesigns(x, y):
samesign = True
for i in range(x.size):
if(np.sign(x[i]) != np.sign(y[i])):
samesign = False
return samesign
def ajusterProtos(X, Xlabel, M, Y, nmax):
n = 0
while(n < nmax):
#print(n)
for i in range(M.shape[0]):
Xprotos = protoFromMatrix(M,Y)
Xprotos = association_points_protos(pointFromMatrix(X,Xlabel),Xprotos)
listeancienprotolabelX.append(Xprotos[i].x)
listeancienprotolabelY.append(Xprotos[i].y)
if(Xprotos[i].reseau==[]):
J = iterationDescenteGradien(fonction, gradfonction, [Xprotos[i]], 1e-7, 700)
else:
J = iterationDescenteGradien(fonction, gradfonction, Xprotos[i].reseau, 1e-7, 700)
#P = descenteGradientMultid(fonction,gradfonction,[M[i]],0.0001,500,0.005, getPointsAttachedToProto(X, Xprotos, i))
M[i] = J
n += 1
return M
def protoFromMatrix(M,Y):
listeProto =[]
for i in range(len(M)):
proto = Prototype()
proto.x = M[i][0]
proto.y = M[i][1]
proto.label = Y[i]
proto.id = i
proto.reseau = []
listeProto.append(proto)
return listeProto
def pointFromMatrix(X,Xlabel):
listePoint =[]
for i in range(len(X)):
point = Point()
point.x = X[i][0]
point.y = X[i][1]
point.label = Xlabel[i]
point.id = i
listePoint.append(point)
return listePoint
def getPointsAttachedToProto(X, Xprotos, proto):
listX = []
for i in range(len(Xprotos)):
if(Xprotos[i] == proto):
listX.append(X[i])
return listX
def getPrototype(x, label, M, Y):
attrib = False
dmin = norm(x-M[0])
min = 0
for i in range(M.shape[0]):
dist = norm(x-M[i])
if((label == Y[i] and dist < dmin) or (attrib == False and label == Y[i])):
dmin = dist
min = i
attrib = True
return min
def fonction(listX, P):
resultat = 0
for i in range(len(listX)):
for j in range(len(P)):
resultat += np.log2(1+np.abs(listX[i][j]-P[j]))
return resultat
def gradfonction(listX, P):
list2X = [[i.x,i.y] for i in listX]
R = np.zeros(P.shape[0])
#print(P)
for i in range(P.shape[0]):
resultat = 0
for j in range(len(list2X)):
# print("test "+str((P[i])*(-1)))
resultat += np.sign(list2X[j][i]-P[i])*(-1)/(1+np.abs(list2X[j][i]-P[i]))
# print(resultat)
R[i] = resultat
return R
def norm(x):
s = 0;
for i in range(x.shape[0]):
s += x[i]**2
return np.sqrt(s)
# ***** Partie Calculs *****
listeancienprotolabelX = []
listeancienprotolabelY = []
X=nombresAleatoires(40)
P = prototypes(3,X)
# ** Pour graphique :
X1,X2=decouper_X(X)
XX1 = [i.x for i in X1]
XX2 = [i.x for i in X2]
YY1 = [i.y for i in X1]
YY2 = [i.y for i in X2]
P1 = P[0:len(P)//2]
P2 = P[len(P)//2:len(P)]
Xp1 = [P1[i].x for i in range(len(P1))]
Yp1 = [P1[i].y for i in range(len(P1))]
Xp2 = [P2[i].x for i in range(len(P2))]
Yp2 = [P2[i].y for i in range(len(P2))]
Xpp1=cp.copy(Xp1)
Ypp1=cp.copy(Yp1)
Xpp2=cp.copy(Xp2)
Ypp2=cp.copy(Yp2)
plt.close()
plt.plot(Xpp1,Ypp1 ,color = 'r',linestyle = '', marker='o', markersize = 10)
plt.plot(Xpp2,Ypp2,color = 'b',linestyle = '', marker='o', markersize = 10)
plt.plot(Xp1,Yp1 ,color = 'r',linestyle = '', marker='o', markersize = 2)
plt.plot(Xp2,Yp2,color = 'b',linestyle = '', marker='o', markersize = 2)
plt.plot(XX1,YY1,color = 'r', linestyle = '', marker = 'x', markersize = 15)
plt.plot(XX2,YY2,color = 'b', linestyle = '', marker = 'x', markersize = 15)
plt.axis([-1.,11.,-1.,11.])
plt.grid()
plt.show()
# ** On calcule les reseaux des protos
Passociation=association_points_protos(X,P1+P2)
affiche_proto(Passociation)
affiche_point(X)
#Format matrices
mat_X = np.array([[i.x, i.y] for i in X])
mat_P = np.array([[i.x, i.y] for i in Passociation])
label_X = np.array([i.label for i in X])
label_P = np.array([i.label for i in Passociation])
NewP = ajusterProtos(mat_X, label_X, mat_P, label_P, 50)
plt.plot(NewP[:,0],NewP[:,1],color = 'g', linestyle = '', marker = 's')
plt.plot(listeancienprotolabelX,listeancienprotolabelY,color='b',linestyle='',marker='o',markersize=2)
plt.show()
#Valeurs des coefficients des matrices
print ('Matrice de coordonnées des points')
print (mat_X)
print('Matrice de coordonnées des prototypes')
print (mat_P)
print('Matrice des labels des points')
print (label_X)
print('Matrice des labels des prototypes')
print (label_P)
print("")
print("Reseau final ")
affiche_proto(association_points_protos(X,protoFromMatrix(NewP,label_P)))