Keras二分类不同数据集相同的预测结果

Posted 2023-02-16

【中文标题】Keras二分类不同数据集相同的预测结果

【英文标题】：Keras binary classification different dataset same prediction results

【发布时间】：2021-09-06 12:51:25

【问题描述】：

我有 2 个预测标签值，-1 或 1。 使用LSTM 或Dense 的学习看起来不错，但是对于不同的预测数据集，预测总是相同的，将层更改为 Dense 不会改变预测，也许我做错了什么。

这里是代码

// set up data arrays
float[,,] training_data = new float[training.Count(), 12, 200];
float[,,] testing_data = new float[testing.Count(), 12, 200];
float[,,] predict_data = new float[1, 12, 200];

IList<float> training_labels = new List<float>();
IList<float> testing_labels = new List<float>();

// Load Data and add to arrays
...
...

/////////////////////////
NDarray train_y = np.array(training_labels.ToArray());
NDarray train_x = np.array(training_data);

NDarray test_y = np.array(testing_labels.ToArray());
NDarray test_x = np.array(testing_data);

NDarray predict_x = np.array(predict_data);

train_y = Util.ToCategorical(train_y, 2);
test_y = Util.ToCategorical(test_y, 2);

//Build functional model
var model = new Sequential();

model.Add(new Input(shape: new Keras.Shape(12, 200)));
model.Add(new BatchNormalization());

model.Add(new LSTM(128, activation: "tanh", recurrent_activation: "sigmoid", return_sequences: false));            
model.Add(new Dropout(0.2));
model.Add(new Dense(32, activation: "relu"));            
model.Add(new Dense(2, activation: "softmax"));

model.Compile(optimizer: new SGD(), loss: "binary_crossentropy", metrics: new string[]  "accuracy" );
model.Summary();

var history = model.Fit(train_x, train_y, batch_size: 1, epochs: 1, verbose: 1, validation_data: new NDarray[]  test_x, test_y );

var score = model.Evaluate(test_x, test_y, verbose: 2);
Console.WriteLine($"Test loss: score[0]");
Console.WriteLine($"Test accuracy: score[1]");

NDarray predicted=model.Predict(predict_x, verbose: 2);
                    
Console.WriteLine($"Prediction: predicted[0][0]*100");
Console.WriteLine($"Prediction: predicted[0][1]*100");  

这是输出

    483/483 [==============================] 
    - 9s 6ms/step - loss: 0.1989 - accuracy: 0.9633 - val_loss: 0.0416 - val_accuracy: 1.0000
      4/4 - 0s - loss: 0.0416 - accuracy: 1.0000
    Test loss: 0.04155446216464043
    Test accuracy: 1
    1/1 - 0s

    Prediction: 0.0010418787496746518
    Prediction: 99.99896287918091

在 ML.net 中使用相同的预测数据会给出不同的结果，但是使用 ML.Net 的准确度仅为 0.6，这就是我需要深度学习的原因

【参考方案1】：

我没有设置c# 来重现您的代码。但是我看到了一个您可能需要考虑的小问题（不确定这是否会导致麻烦）。根据您设置的上述代码，我认为您使用错误的loss 函数进行训练。按照您的设置，

Util.ToCategorical(train_y, 2);
model.Add(new Dense(2, activation: "softmax"));

那么你的损失函数应该是'categorical_crossentropy'而不应该是'binary_crossentropy'。因为，您将标签 (-1, 1) 转换为 one-hot 编码向量，并在最后一层设置 softmax 激活。

但是，正如您所说，您的标签是 -1 和 1；因此，如果您将问题视为二元分类问题，则设置应如下所示：

# Util.ToCategorical(train_y, 2); # no transformation 
model.Add(new Dense(1, activation: "sigmoid"));
model.compile(..., loss: "binary_crossentropy" )

参考。

Neural Network and Binary classification Guidance Selecting loss and metrics for Tensorflow model

更新

在这里我将给出一些工作演示代码以便更好地理解。但在此之前，这里有一个小提示。假设我们有一个训练数据集，标签从< 0 或负值开始，例如[-2, -1, 0, 1]。要将这个整数值转换为 one-hot 编码向量，我们可以选择 tf.keras.utils.to_categorical 或 pd.get_dummies 函数。但是这两种方法的一个小区别是，在tf..to_categorical中，我们的整数标签必须从0开始； pd.get_dummies 不是这样，请查看我的other answers。很快，

np.random.randint(-1, 1, size=(80))
array([-1, -1,  0,  0,  0 .. ]

pd.get_dummies(a).astype('float32').values[:5] 
array([[1., 0.],
       [1., 0.],
       [0., 1.],
       [0., 1.],
       [0., 1.]], dtype=float32)

tf.keras.utils.to_categorical(a+1, num_classes = 2)[:5]
array([[1., 0.],
       [1., 0.],
       [0., 1.],
       [0., 1.],
       [0., 1.]], dtype=float32)

好的，我现在给出一些工作演示代码。

img = tf.random.normal([80, 32], 0, 1, tf.float32)
tar = pd.get_dummies(np.random.randint(-1, 1,  # mine: [-1, 1) - yours: [-1, 1]
                                       size=80)).astype('float32').values 

model = tf.keras.Sequential()
model.add(tf.keras.layers.Dense(10, input_dim = 32, 
                       kernel_initializer ='normal', 
                       activation= 'relu'))
model.add(tf.keras.layers.Dense(2, activation='softmax'))

model.compile(loss='categorical_crossentropy', 
              optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
model.fit(img, tar, epochs=10, verbose=2)

Epoch 1/10
3/3 - 0s - loss: 0.7610 - accuracy: 0.4375
Epoch 2/10
3/3 - 0s - loss: 0.7425 - accuracy: 0.4375
....
Epoch 8/10
3/3 - 0s - loss: 0.6694 - accuracy: 0.5125
Epoch 9/10
3/3 - 0s - loss: 0.6601 - accuracy: 0.5750
Epoch 10/10
3/3 - 0s - loss: 0.6511 - accuracy: 0.5750

推理

loss, acc = model.evaluate(img, tar); print(loss, acc)
pred = model.predict(img); print(pred[:5])

3ms/step - loss: 0.6167 - accuracy: 0.7250
0.6166597604751587 0.7250000238418579

# probabilities of the predicted labels -1 and 0
[[0.35116166 0.64883834]
 [0.5542663  0.4457338 ]
 [0.28023133 0.71976864]
 [0.5024315  0.49756846]
 [0.41029742 0.5897026 ]]

现在，如果我们这样做了

print(pred[0])
pred[0].argmax(-1) # expect: -1, 0 as our label 

[0.35116166 0.64883834]
1

它分别为目标标签-1 和0 提供0.35x 和0.64x。但是，当我们为概率预测的 label 执行 .argmax 时，它返回零索引的最高值； （让训练标签从零索引开始的原因，所以我认为在你的情况下最好将[-1, 1] 转换为[0, 1]）。

好的，最后，正如您提到的，您需要预测标签和相应的置信度分数；为此，我们可以使用tf.math.top_k 和k = num_of_class。

top_k_values, top_k_indices = tf.math.top_k(pred, k=2)
for values, indices in zip(top_k_values, top_k_indices):
    print(
        'For class , model confidence :.2f%'
        .format(indices.numpy()[0]-1, values.numpy()[0]*100)
        )
    
    print(
        'For class , model confidence :.2f%'
        .format(indices.numpy()[1]-1, values.numpy()[1]*100)
        )
    
    '''
    Note: above we substract -1 to match with 
          the target label (-1, 0)

    And it would not necessary if we initially -
    transform our label from (-1, 0) to (0, 1), i.e. start from zero 
    '''
    print()
    break # remove for full results 

For class 0, model confidence 64.88%
For class -1, model confidence 35.12%

验证分数顺序

# pick first samples: input and label
model(img)[0].numpy(), tar[0]

(array([0.35116166, 0.64883834], dtype=float32),
 array([0., 1.], dtype=float32))

Here, 
0: for -1
1: for 0

# Again, better to transform (-1, 0) to (0, 1) at initial.

【讨论】：

谢谢，我按照你说的做了，现在我得到了不同的预测结果，但预测[0][0]只有一个值，预测[0][1]为空。使用一个数据得到结果 20.3，使用不同数据得到 12.2，我如何将这些数据解释为我的 -1 和 1 结果？即使不更改数据，结果也会发生变化。谢谢！

更改为 categorical_crossentropy 我再次得到相同的结果，预测：0.06129330722615123 预测：99.93870258331299

对于我的第一个评论，我也尝试了预测[0]和预测[1]，第一个值相同，第二个为空。

我需要这样的预测结果 (-1) 30% 概率，(1) 70% 概率

[:5] 被称为数组slicing in python。这对你来说不是什么重要的事情。我将它用于检查目的。比如，当我使用print(pred[:5])时，它的意思是打印出前5个元素或前5个样本的概率得分。