[03]tensorflow实现softmax回归（softmax regression）

Posted 2022-02-18 搬砖小工053

MNIST数据集

MNIST数据集的官网是Yann LeCun’s website。在这里，我们提供了一份python源代码用于自动下载和安装这个数据集。你可以下载这份代码，然后用下面的代码导入到你的项目里面，也可以直接复制粘贴到你的代码文件里面。

import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)

下载下来的数据集被分成两部分：60000行的训练数据集（mnist.train）和10000行的测试数据集（mnist.test）。这样的切分很重要，在机器学习模型设计时必须有一个单独的测试数据集不用于训练而是用来评估这个模型的性能，从而更加容易把设计的模型推广到其他数据集上（泛化）。

正如前面提到的一样，每一个MNIST数据单元有两部分组成：一张包含手写数字的图片和一个对应的标签。我们把这些图片设为“xs”，把这些标签设为“ys”。训练数据集和测试数据集都包含xs和ys，比如训练数据集的图片是 mnist.train.images ，训练数据集的标签是 mnist.train.labels。

每一张图片包含28像素X28像素。我们可以用一个数字数组来表示这张图片：

我们把这个数组展开成一个向量，长度是 28x28 = 784。如何展开这个数组（数字间的顺序）不重要，只要保持各个图片采用相同的方式展开。从这个角度来看，MNIST数据集的图片就是在784维向量空间里面的点, 并且拥有比较复杂的结构 (提醒: 此类数据的可视化是计算密集型的)。

展平图片的数字数组会丢失图片的二维结构信息。这显然是不理想的，最优秀的计算机视觉方法会挖掘并利用这些结构信息，我们会在后续教程中介绍。但是在这个教程中我们忽略这些结构，所介绍的简单数学模型，softmax回归(softmax regression)，不会利用这些结构信息。

因此，在MNIST训练数据集中，mnist.train.images 是一个形状为 [60000, 784] 的张量，第一个维度数字用来索引图片，第二个维度数字用来索引每张图片中的像素点。在此张量里的每一个元素，都表示某张图片里的某个像素的强度值，值介于0和1之间。

相对应的MNIST数据集的标签是介于0到9的数字，用来描述给定图片里表示的数字。为了用于这个教程，我们使标签数据是”one-hot vectors”。 一个one-hot向量除了某一位的数字是1以外其余各维度数字都是0。所以在此教程中，数字n将表示成一个只有在第n维度（从0开始）数字为1的10维向量。比如，标签0将表示成([1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0])。因此， mnist.train.labels 是一个 [60000, 10] 的数字矩阵。

Softmax回归介绍

我们知道MNIST的每一张图片都表示一个数字，从0到9。我们希望得到给定图片代表每个数字的概率。比如说，我们的模型可能推测一张包含9的图片代表数字9的概率是80%但是判断它是8的概率是5%（因为8和9都有上半部分的小圆），然后给予它代表其他数字的概率更小的值。

这是一个使用softmax回归（softmax regression）模型的经典案例。softmax模型可以用来给不同的对象分配概率。即使在之后，我们训练更加精细的模型时，最后一步也需要用softmax来分配概率。

softmax回归（softmax regression）分两步：

第一步:

为了得到一张给定图片属于某个特定数字类的证据（evidence），我们对图片像素值进行加权求和。如果这个像素具有很强的证据说明这张图片不属于该类，那么相应的权值为负数，相反如果这个像素拥有有利的证据支持这张图片属于这个类，那么权值是正数。

下面的图片显示了一个模型学习到的图片上每个像素对于特定数字类的权值。红色代表负数权值，蓝色代表正数权值。

我们也需要加入一个额外的偏置量（bias），因为输入往往会带有一些无关的干扰量。因此对于给定的输入图片 x 它代表的是数字 i 的证据可以表示为:

$$evidence_i = \\sum W_i,jx_j + b_i$$

其中$W_i,j$ 代表权重，$b_i$ 代表数字 $i$ 类的偏置量，$j$ 代表给定图片 $x$ 的像素索引用于像素求和。然后用softmax函数可以把这些证据转换成概率 $y$：

$$y = softmax(evidence)$$

这里的softmax可以看成是一个激励（activation）函数或者链接（link）函数，把我们定义的线性函数的输出转换成我们想要的格式，也就是关于10个数字类的概率分布。因此，给定一张图片，它对于每一个数字的吻合度可以被softmax函数转换成为一个概率值。softmax函数可以定义为：

$$softmax(x) = normalize(exp(x))$$

展开等式右边的子式，可以得到：

$$softmax(x) = \\fracexp(x_i)\\sum _j exp(x_j)$$

但是更多的时候把softmax模型函数定义为前一种形式：把输入值当成幂指数求值，再正则化这些结果值。这个幂运算表示，更大的证据对应更大的假设模型（hypothesis）里面的乘数权重值。反之，拥有更少的证据意味着在假设模型里面拥有更小的乘数系数。假设模型里的权值不可以是0值或者负值。Softmax然后会正则化这些权重值，使它们的总和等于1，以此构造一个有效的概率分布。（更多的关于Softmax函数的信息，可以参考Michael Nieslen的书里面的这个部分，其中有关于softmax的可交互式的可视化解释。）

对于softmax回归模型可以用下面的图解释，对于输入的xs加权求和，再分别加上一个偏置量，最后再输入到softmax函数中：

如果把它写成一个等式，我们可以得到：

我们也可以用向量表示这个计算过程：用矩阵乘法和向量相加。这有助于提高计算效率。（也是一种更有效的思考方式）

更进一步，可以写成更加紧凑的方式：

$$y = softmax(Wx) + b$$

实现回归模型

为了用python实现高效的数值计算，我们通常会使用函数库，比如NumPy，会把类似矩阵乘法这样的复杂运算使用其他外部语言实现。不幸的是，从外部计算切换回Python的每一个操作，仍然是一个很大的开销。如果你用GPU来进行外部计算，这样的开销会更大。用分布式的计算方式，也会花费更多的资源用来传输数据。

TensorFlow也把复杂的计算放在python之外完成，但是为了避免前面说的那些开销，它做了进一步完善。Tensorflow不单独地运行单一的复杂计算，而是让我们可以先用图描述一系列可交互的计算操作，然后全部一起在Python之外运行。（这样类似的运行方式，可以在不少的机器学习库中看到。）

#coding:utf-8
'''
线性层的softmax回归模型识别手写字
'''
import tensorflow as tf 
import numpy as np 
import input_data

#mnist数据输入
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot = True)

x = tf.placeholder("float", [None, 784]) #placeholder是一个占位符，None表示此张量的第一个维度可以是任何长度的

#
w = tf.Variable(tf.zeros([784,10])) #定义w维度是:[784,10],初始值是0
b = tf.Variable(tf.zeros([10])) # 定义b维度是:[10],初始值是0

#
y = tf.nn.softmax(tf.matmul(x,w) + b)

# loss
y_ = tf.placeholder("float", [None, 10])
cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_*tf.log(y)) #用 tf.log 计算 y 的每个元素的对数。接下来，我们把 y_ 的每一个元素和 tf.log(y_) 的对应元素相乘。最后，用 tf.reduce_sum 计算张量的所有元素的总和。

# 梯度下降
train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01).minimize(cross_entropy)

# 初始化
init = tf.initialize_all_variables()

# Session
sess = tf.Session()
sess.run(init)

# 迭代
for i in range(1000):
    batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100)
    sess.run(train_step, feed_dict=x: batch_xs, y_: batch_ys)
    if i % 50 == 0:
        correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
        accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))
        print "Setp: ", i, "Accuracy: ",sess.run(accuracy, feed_dict=x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels)

# 评估模型
#correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
#accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))
#print sess.run(accuracy, feed_dict=x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels)

运行结果：

参考

[tensorflow中文社区]（http://tensorfly.cn/tfdoc/tutorials/mnist_beginners.html）