TensorFlow 神经网络教程

Posted 2021-02-16 t198520

TensorFlow 是一个用于机器学习应用程序的开源库。它是谷歌大脑的第二代系统，在取代了近源的 DistBelief 之后，被谷歌用于研究和生产应用。TensorFlow 提供了很多种语言接口，包括 Python、C++、Go、Java 和 C 等等。考虑到普遍性和易学性，本文将采用 Python 版本，并且会简单介绍下 TensorFlow 的安装和它的一些低阶 API，以及从头开始构建基于真实数据集的前馈神经网络。

在更为复杂的应用场景下，神经网络的训练时长往往是一种特别需要克服的因素。由于神经网络以及其他机器学习算法主要在处理矩阵乘法，因此在 GPU 上运行要比在 CPU 上快得多（当然有个别情况除外）。

TensorFlow 支持 CPU 和 GPU，Google 甚至还研究出了 TensorFlow 专用的云计算硬件，叫做 Tensor Processing Unit（TPU），可在训练中达到更好的性能。

安装

虽然 TPU 仅在云中可用，但 TensorFlow 在本地计算机上的安装可以安装 CPU 版或者 GPU 版的。要安装GPU 版本，你的电脑必须有 NVIDIA 显卡，并且还要满足。

基本上，安装至少有5种不同的选项，使用：virtualenv，pip，Docker，Anaconda，以及从源代码安装。

最常见和最简单的安装方式是通过 virtualenv 和 pip，因此它们将在本文中进行解释。

如果你已经使用了 Python 一段时间，你可能知道 pip 。以下是如何在 Ubuntu 上安装：

# Install pip
sudo apt-get install python-pip python-dev   # Python 2.7  
sudo apt-get install python3-pip python3-dev # Python 3.x  

在 Ubuntu 和 Mac OSX（不支持 GPU） 机器上安装 TensorFlow：

# CPU support
pip install tensorflow      # Python 2.7  
pip3 install tensorflow     # Python 3.x

# GPU support
pip install tensorflow-gpu  # Python 2.7  
pip3 install tensorflow-gpu # Python 3.x  

上述命令也适用于 Windows 系统，但仅适用于 Python 3.5.x 和 3.6.x 版本。

在单独的环境中安装 TensorFlow 可以通过 virtualenv 或 conda（Anaconda的一部分）来完成。同样的代码一样可以安装，不过使用前需要创建和激活虚拟环境：

virtualenv --system-site-packages ~/tensorflow  
source ~/tensorflow/bin/activate  

这可以很好地把虚拟环境与系统上全局安装的软件包分离开来。

核心API组件

TensorFlow 提供了高阶 API 和低阶 API。最低级别的一级称为 Core，它与基本组件一起使用：Tensors、Graphs 和 Sessions。

更高级别的API，例如 tf.estimator，用于简化工作流程和自动化，包括数据集管理、学习、评估等过程。无论如何，了解库的核心功能才能更好地利用 TensorFlow 这个利器。

Core API 的重点是构建一个计算图，其中包含一系列排列在节点图中的操作。每个节点可以具有多个张量（基本数据结构）作为输入并对它们执行操作以计算输出，该输出随后可以表示对多层网络中的其他节点的输入。这种类型的架构适用于机器学习应用，比如神经网络。

张量

张量是 TensorFlow 中的基本数据结构，它以任意数量的维度存储数据，类似于 NumPy 中的多维数组。张量有三种基本类型：常量，变量和占位符。

• 常量是不可变类型的张量。它们可以被视为没有输入的节点，输出它们在内部存储的单个值。
• 变量是可变类型的 tensors，其值可以在图形运行期间改变。在ML应用中，变量通常存储需要优化的参数（例如，神经网络中节点之间的权重）。在通过显式调用特殊操作运行图形之前，需要初始化变量。
• 占位符是存储来自外部源的数据的张量。它们代表了一个“承诺”，即在运行图形时将提供一个值。在机器学习应用程序中，占位符通常用于向学习模型输入数据。

以下几行给出了三种张量类型的示例：

import tensorflow as tf

tf.reset_default_graph()

# Define a placeholder
a = tf.placeholder("float", name=‘pholdA‘)  
print("a:", a)

# Define a variable 
b = tf.Variable(2.0, name=‘varB‘)  
print("b:", b)

# Define a constant
c = tf.constant([1., 2., 3., 4.], name=‘consC‘)  
print("c:", c)

 

a: Tensor("pholdA:0", dtype=float32)  
b: <tf.Variable ‘varB:0‘ shape=() dtype=float32_ref>  
c: Tensor("consC:0", shape=(4,), dtype=float32)  

 

请注意，此时张量不包含值，并且只有在会话中运行图形时，它们的值才可用。

图

此时，图仅保存未连接的树张量。让我们在我们的张量上运行一些操作：

d = a * b + c  
d  
<tf.Tensor ‘add:0‘ shape=<unknown> dtype=float32>  

结果输出又是一个名为 add 的张量，我们的模型现在如下图所示。你可以使用 TensorFlow 的内置功能TensorBoard 来探索图和其他参数。

 

图1：包含乘法和加法的 TensorFlow 图。

另一个用于探索图的有用工具如下，它可以打印出其中的所有操作。

# call the default graph
graph = tf.get_default_graph()

# print operations in the graph
for op in graph.get_operations():  print(op.name)
pholdA  
varB/initial_value  
varB  
varB/Assign  
varB/read  
consC  
mul  
add   

会话

最后，我们的图应该在会话中运行。要注意的是，变量是预先初始化的，而占位符通过feed_dict属性接收具体值。

# Initialize variables
init = tf.global_variables_initializer()

# Run a session and calculate d
sess = tf.Session()  
sess.run(init)  
print(sess.run(d, feed_dict={a: [[0.5], [2], [3]]}))  
sess.close()  
[[  2.   3.   4.   5.]
 [  5.   6.   7.   8.]
 [  7.   8.   9.  10.]]

以上示例是学习模型的简化。无论哪种方式，它都展示了如何将基本tf组件组合在一个图中并在会话中运行。此外，它还说明了操作是如何在不同形状的张量上运行的。

下面我们将使用 Core API 构建一个神经网络，用于在真实数据上进行机器学习。

神经网络模型

我们来使用 TensorFlow 的核心组件从头开始构建前馈神经网络。

鸢尾花数据集

鸢尾花数据集 由150个植物实例组成，每个植物都有4个维度（用做输入特征）及其类型（需要预测的输出值）。这些植物可能属于三种类型中的一种（ setosa，virginica 和 versicolor ）。让我们首先从TensorFlow 的网站下载数据 - 它分为训练和测试子集，每个子??集分别包含 120 和 30 个实例。

# Import the needed libraries
import numpy as np
import pandas as pd
import tensorflow as tf
import urllib.request as request
import matplotlib.pyplot as plt

# Download dataset
IRIS_TRAIN_URL = "http://download.tensorflow.org/data/iris_training.csv"
IRIS_TEST_URL = "http://download.tensorflow.org/data/iris_test.csv"

names = [‘sepal-length‘, ‘sepal-width‘, ‘petal-length‘, ‘petal-width‘, ‘species‘]
train = pd.read_csv(IRIS_TRAIN_URL, names=names, skiprows=1)
test = pd.read_csv(IRIS_TEST_URL, names=names, skiprows=1)

# Train and test input data
Xtrain = train.drop("species", axis=1)  
Xtest = test.drop("species", axis=1)

# Encode target values into binary (‘one-hot‘ style) representation
ytrain = pd.get_dummies(train.species)
ytest = pd.get_dummies(test.species)

模型和学习

神经网络的输入和输出层的形状将对应于数据的形状，即输入层将包含表示四个输入特征的四个神经元，而由于要给这三个物种编码，输出层将包含三个神经元。例如，‘setosa‘ 物种可以用向量 [1,0,0] 编码，‘virginica‘ 用 [0,1,0] 等编码。

我们为隐藏层中的神经元数量选择三个值：5、10 和 20，因此网络大小为（4-5-3），（4-10-3）和（4-20-3）。这意味着我们的第一个网络将拥有 4 个输入神经元，5 个“隐藏”神经元和 3 个输出神经元。

图 2：三层前馈神经网络。

下面的代码定义了一个函数，我们在其中创建模型，定义需要最小化的损失函数，并运行2000次迭代的会话以学习最佳权重W_1和W_2。如上文所述，输入和输出矩阵被馈送到 tf.placeholder 张量，权重表示为变量，因为它们的值在每次迭代中都会发生变化。损失函数定义为我们的预测 y_est 与实际物种类型 y 之间的均方误差，使用的激活函数是 sigmoid。 create_train_model 函数返回学习的权重并打印出损失函数的最终值。

# Create and train a tensorflow model of a neural network
def create_train_model(hidden_nodes, num_iters):

    # Reset the graphtf.reset_default_graph()

    # Placeholders for input and output dataX = tf.placeholder(shape=(120, 4), dtype=tf.float64, name=‘X‘)y = tf.placeholder(shape=(120, 3), dtype=tf.float64, name=‘y‘)

    # Variables for two group of weights between the three layers of the networkW1 = tf.Variable(np.random.rand(4, hidden_nodes), dtype=tf.float64)W2 = tf.Variable(np.random.rand(hidden_nodes, 3), dtype=tf.float64)

    # Create the neural net graphA1 = tf.sigmoid(tf.matmul(X, W1))y_est = tf.sigmoid(tf.matmul(A1, W2))

    # Define a loss functiondeltas = tf.square(y_est - y)loss = tf.reduce_sum(deltas)

    # Define a train operation to minimize the lossoptimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.005)train = optimizer.minimize(loss)

    # Initialize variables and run sessioninit = tf.global_variables_initializer()sess = tf.Session()sess.run(init)

    # Go through num_iters iterationsfor i in range(num_iters):sess.run(train, feed_dict={X: Xtrain, y: ytrain})loss_plot[hidden_nodes].append(sess.run(loss, feed_dict={X: Xtrain.as_matrix(), y: ytrain.as_matrix()}))weights1 = sess.run(W1)weights2 = sess.run(W2)

    print("loss (hidden nodes: %d, iterations: %d): %.2f" % (hidden_nodes, num_iters, loss_plot[hidden_nodes][-1]))sess.close()return weights1, weights2

创建三个网络架构，并在迭代上绘制损失函数。

# Run the training for 3 different network architectures: (4-5-3) (4-10-3) (4-20-3)

# Plot the loss function over iterations
num_hidden_nodes = [5, 10, 20]  
loss_plot = {5: [], 10: [], 20: []}  
weights1 = {5: None, 10: None, 20: None}  
weights2 = {5: None, 10: None, 20: None}  
num_iters = 2000

plt.figure(figsize=(12,8))  
for hidden_nodes in num_hidden_nodes:  
    weights1[hidden_nodes], weights2[hidden_nodes] = create_train_model(hidden_nodes, num_iters)
    plt.plot(range(num_iters), loss_plot[hidden_nodes], label="nn: 4-%d-3" % hidden_nodes)

plt.xlabel(‘Iteration‘, fontsize=12)  
plt.ylabel(‘Loss‘, fontsize=12)  
plt.legend(fontsize=12)  
loss (hidden nodes: 5, iterations: 2000): 31.82  
loss (hidden nodes: 10, iterations: 2000): 5.90  
loss (hidden nodes: 20, iterations: 2000): 5.61

<matplotlib.legend.Legend at 0x123b157f0>

图 3：不同结构的神经网络 2000 次迭代损失函数对比。

我们可以看到，具有 20 个隐藏神经元的网络需要更多时间才能达到最小值，这是由于其更高的复杂性。具有 5 个隐藏神经元的网络陷入局部最小值，并且不会产生满意的结果。

无论如何，对于像 Iris 这样简单的数据集，即使是具有5个隐藏神经元的小型网络也应该能够学习一个好的模型。在我们的例子中，只是一个随机事件，模型陷入局部最小值，如果我们一次又一次地运行代码，它就不会经常发生。

模型评估

最后，评估模型。我们使用学习的权重W_1，W_2并向前传播测试集的示例。精度度量被定义为正确预测的示例的百分比。

# Evaluate models on the test set
X = tf.placeholder(shape=(30, 4), dtype=tf.float64, name=‘X‘)  
y = tf.placeholder(shape=(30, 3), dtype=tf.float64, name=‘y‘)

for hidden_nodes in num_hidden_nodes:

    # Forward propagationW1 = tf.Variable(weights1[hidden_nodes])W2 = tf.Variable(weights2[hidden_nodes])A1 = tf.sigmoid(tf.matmul(X, W1))y_est = tf.sigmoid(tf.matmul(A1, W2))

    # Calculate the predicted outputsinit = tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)y_est_np = sess.run(y_est, feed_dict={X: Xtest, y: ytest})

    # Calculate the prediction accuracycorrect = [estimate.argmax(axis=0) == target.argmax(axis=0) for estimate, target in zip(y_est_np, ytest.as_matrix())]accuracy = 100 * sum(correct) / len(correct)print(‘Network architecture 4-%d-3, accuracy: %.2f%%‘ % (hidden_nodes, accuracy))
Network architecture 4-5-3, accuracy: 90.00%  
Network architecture 4-10-3, accuracy: 96.67%  
Network architecture 4-20-3, accuracy: 96.67%  

总的来说，我们通过简单的前馈神经网络实现了相当高的精度，使用非常小的数据集尤其令人惊讶。

结语：

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