关于人工智能:使用tensorflow和Keras的初级教程

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作者 |Angel Das
编译 |VK
起源 |Towards Datas Science

介绍

人工神经网络 (ANNs) 是机器学习技术的高级版本，是深度学习的外围。人工神经网络波及以下概念。输入输出层、暗藏层、暗藏层下的神经元、正向流传和反向流传。

简略地说，输出层是一组自变量，输入层代表最终的输入(因变量)，暗藏层由神经元组成，在那里利用方程和激活函数。前向流传探讨方程的具体模式以取得最终输入，而反向流传则计算梯度降落以相应地更新参数。无关操作流程的更多信息，请参阅上面的文章。

https://towardsdatascience.co…

深层神经网络

当一个 ANN 蕴含一个很深的暗藏层时，它被称为深度神经网络(DNN)。DNN 具备多个权重和偏差项，每一个都须要训练。反向流传能够确定如何调整所有神经元的每个权重和每个偏差项，以缩小误差。除非网络收敛到最小误差，否则该过程将反复。

算法步骤如下：

  • 失去训练和测试数据以训练和验证模型的输入。所有波及相关性、离群值解决的统计假设依然无效，必须加以解决。
  • 输出层由自变量及其各自的值组成。训练集分为多个 batch。训练集残缺的训练完称为一个 epoch。epoch 越多，训练工夫越长
  • 每个 batch 被传递到输出层，输出层将其发送到第一个暗藏层。计算该层中所有神经元的输入(对于每一个小批量)。后果被传递到下一层，这个过程反复，直到咱们失去最初一层的输入，即输入层。这是前向流传：就像做预测一样，除了所有两头后果都会被保留，因为它们是反向流传所须要的
  • 而后应用损失函数测量网络的输入误差，该函数将冀望输入与网络的理论输入进行比拟
  • 计算了每个参数对误差项的奉献
  • 该算法依据学习速率 (反向流传) 执行梯度降落来调整权重和参数，并且该过程会反复进行

重要的是随机初始化所有暗藏层的权重，否则训练将失败。

例如，如果将所有权重和偏移初始化为零，则给定层中的所有神经元将完全相同，因而反向流传将以完全相同的形式影响它们，因而它们将放弃雷同。换句话说，只管每层有数百个神经元，但你的模型将体现得如同每层只有一个神经元：它不会太聪慧。相同，如果你随机初始化权重，你就突破了对称性，容许反向流传来训练不同的神经元

激活函数

激活函数是梯度降落的要害。梯度降落不能在立体上挪动，因而有一个定义良好的非零导数是很重要的，以使梯度降落在每一步都获得停顿。Sigmoid 通常用于 logistic 回归问题，然而，也有其余风行的抉择。

双曲正切函数

这个函数是 S 形的，间断的，输入范畴在 - 1 到 + 1 之间。在训练开始时，每一层的输入或多或少都以 0 为核心，因而有助于更快地收敛。

整流线性单元

对于小于 0 的输出，它是不可微的。对于其余状况，它产生良好的输入，更重要的是具备更快的计算速度。函数没有最大输入，因而在梯度降落过程中可能呈现的一些问题失去了很好的解决。

为什么咱们须要激活函数？

假如 f(x)=2x+ 5 和 g(x)=3x-1。两个输出项的权重是不同的。在链接这些函数时，咱们失去的是，f(g(x))=2(3x-1)+5=6x+3，这又是一个线性方程。非线性的缺失体现为深层神经网络中等价于一个线性方程。这种状况下的简单问题空间无奈解决。

损失函数

在解决回归问题时，咱们不须要为输入层应用任何激活函数。在训练回归问题时应用的损失函数是均方误差。然而，训练集中的异样值能够用均匀绝对误差来解决。Huber 损失也是基于回归的工作中宽泛应用的误差函数。

当误差小于阈值 t(大多为 1)时，Huber 损失是二次的，但当误差大于 t 时，Huber 损失是线性的。与均方误差相比，线性局部使其对异样值不太敏感，并且二次局部比均匀绝对误差更快地收敛和更准确的数字。

分类问题通常应用二分类穿插熵、多分类穿插熵或稠密分类穿插熵。二分类穿插熵用于二分类，而多分类或稠密分类穿插熵用于多类分类问题。你能够在上面的链接中找到无关损失函数的更多详细信息。

注：分类穿插熵用于因变量的 one-hot 示意，当标签作为整数提供时，应用稠密分类穿插熵。

https://keras.io/api/losses/

用 Python 开发 ANN

咱们将应用 Kaggle 的信用数据开发一个应用 Jupyter Notebook 的欺诈检测模型。同样的办法也能够在 google colab 中实现。

数据集蕴含 2013 年 9 月欧洲持卡人通过信用卡进行的交易。此数据集显示两天内产生的交易，其中 284807 笔交易中有 492 宗欺诈。数据集高度不均衡，正类 (欺诈) 占所有交易的 0.172%。

https://www.kaggle.com/mlg-ul…

import tensorflow as tf
print(tf.__version__)

import pandas as pd
import numpy as np

from sklearn.model_selection import train_test_split
import tensorflow as tf

from sklearn import preprocessing

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Dropout, BatchNormalization

from sklearn.metrics import accuracy_score, confusion_matrix, precision_score, recall_score, f1_score, precision_recall_curve, auc

import matplotlib.pyplot as plt
from tensorflow.keras import optimizers

import seaborn as sns

from tensorflow import keras

import random as rn

import os
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "3"
PYTHONHASHSEED=0

tf.random.set_seed(1234)
np.random.seed(1234)
rn.seed(1254)

数据集由以下属性组成。工夫、次要成分、金额和类别。更多信息请拜访 Kaggle 网站。

file = tf.keras.utils
raw_df = pd.read_csv(‘https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/creditcard.csv')
raw_df.head()

因为大多数属性都是主成分，所以相关性总是 0。惟一可能出现异常值的列是 amount。上面简要介绍一下这方面的统计数据。

count    284807.00
mean         88.35
std         250.12
min           0.00
25%           5.60
50%          22.00
75%          77.16
max       25691.16
Name: Amount, dtype: float64

异样值对于检测欺诈行为至关重要，因为根本假如是，较高的交易量可能是欺诈流动的迹象。然而，箱线图并没有揭示任何具体的趋势来验证上述假如。

筹备输入输出和训练测试数据

X_data = credit_data.iloc[:, :-1]

y_data = credit_data.iloc[:, -1]

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_data, y_data, test_size = 0.2, random_state = 7)

X_train = preprocessing.normalize(X_train)

数量和主成分剖析变量应用不同的尺度，因而数据集是标准化的。标准化在梯度降落中起着重要作用。标准化数据的收敛速度要快得多。

print(X_train.shape)
print(X_test.shape)
print(y_train.shape)
print(y_test.shape)

输入：

(227845, 29) #记录数 x 列数
(56962, 29)
(227845,)
(56962,)

开发神经网络层

下面的输入表明咱们有 29 个自变量要解决，因而输出层的形态是 29。任何人工神经网络架构的个别构造概述如下。

+----------------------------+----------------------------+
 |      Hyper Parameter       |   Binary Classification    |
 +----------------------------+----------------------------+
 | # input neurons            | One per input feature      |
 | # hidden layers            | Typically 1 to 5           |
 | # neurons per hidden layer | Typically 10 to 100        |
 | # output neurons           | 1 per prediction dimension |
 | Hidden activation          | ReLU, Tanh, sigmoid        |
 | Output layer activation    | Sigmoid                    |
 | Loss function              | Binary Cross Entropy       |
 +----------------------------+----------------------------+
+-----------------------------------+----------------------------+
 |          Hyper Parameter          | Multiclass Classification  |
 +-----------------------------------+----------------------------+
 | # input neurons                   | One per input feature      |
 | # hidden layers                   | Typically 1 to 5           |
 | # neurons per hidden layer        | Typically 10 to 100        |
 | # output neurons                  | 1 per prediction dimension |
 | Hidden activation                 | ReLU, Tanh, sigmoid        |
 | Output layer activation           | Softmax                    |
 | Loss function                     | "Categorical Cross Entropy |
 | Sparse Categorical Cross Entropy" |                            |
 +-----------------------------------+----------------------------+
Dense 函数的输出
  1. units — 输入尺寸
  2. activation — 激活函数，如果未指定，则不应用任何内容
  3. use_bias — 布尔值，如果应用偏置项
  4. kernel_initializer — 核权重的初始值设定项
  5. bias_initializer —偏置向量的初始值设定项。
model = Sequential(layers=None, name=None)
model.add(Dense(10, input_shape = (29,), activation = 'tanh'))
model.add(Dense(5, activation = 'tanh'))
model.add(Dense(1, activation = 'sigmoid'))

sgd = optimizers.Adam(lr = 0.001)

model.compile(optimizer = sgd, loss = 'binary_crossentropy', metrics=['accuracy'])

体系结构摘要

model.summary()

Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
dense (Dense)                (None, 10)                300       
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 5)                 55        
_________________________________________________________________
dense_2 (Dense)              (None, 1)                 6         
=================================================================
Total params: 361
Trainable params: 361
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

让咱们试着了解下面的输入(输入阐明应用两个暗藏层提供)：

  1. 咱们创立了一个具备一个输出、两个暗藏和一个输入层的神经网络
  2. 输出层有 29 个变量和 10 个神经元。所以权重矩阵的形态是 10 x 29，而偏置矩阵的形态是 10 x 1
  3. 第 1 层参数总数 =10 x 29+10 x 1=300
  4. 第一层有 10 个输入值，应用 tanh 作为激活函数。第二层有 5 个神经元和 10 个输出，因而权重矩阵为 5×10，偏置矩阵为 5×1
  5. 第 2 层总参数 =5 x 10+5 x 1=55
  6. 最初，输入层有一个神经元，然而它有 5 个不同于暗藏层 2 的输出，并且有一个偏置项，因而神经元的数量 =5+1=6
model.fit(X_train, y_train.values, batch_size = 2000, epochs = 20, verbose = 1)
Epoch 1/20
114/114 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.3434 - accuracy: 0.9847
Epoch 2/20
114/114 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.1029 - accuracy: 0.9981
Epoch 3/20
114/114 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.0518 - accuracy: 0.9983
Epoch 4/20
114/114 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.0341 - accuracy: 0.9986
Epoch 5/20
114/114 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.0255 - accuracy: 0.9987
Epoch 6/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0206 - accuracy: 0.9988
Epoch 7/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0174 - accuracy: 0.9988
Epoch 8/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0152 - accuracy: 0.9988
Epoch 9/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0137 - accuracy: 0.9989
Epoch 10/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0125 - accuracy: 0.9989
Epoch 11/20
114/114 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.0117 - accuracy: 0.9989
Epoch 12/20
114/114 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.0110 - accuracy: 0.9989
Epoch 13/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0104 - accuracy: 0.9989
Epoch 14/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0099 - accuracy: 0.9989
Epoch 15/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0095 - accuracy: 0.9989
Epoch 16/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0092 - accuracy: 0.9989
Epoch 17/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0089 - accuracy: 0.9989
Epoch 18/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0087 - accuracy: 0.9989
Epoch 19/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0084 - accuracy: 0.9989
Epoch 20/20
114/114 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.0082 - accuracy: 0.9989

评估输入

X_test = preprocessing.normalize(X_test)

results = model.evaluate(X_test, y_test.values)

1781/1781 [==============================] - 1s 614us/step - loss: 0.0086 - accuracy: 0.9989

用 Tensor Board 剖析学习曲线

TensorBoard 是一个很好的交互式可视化工具，可用于查看训练期间的学习曲线、比拟多个运行的学习曲线、剖析训练指标等。此工具随 TensorFlow 主动装置。

import os
root_logdir = os.path.join(os.curdir,“my_logs”)

def get_run_logdir():
 import time
 run_id = time.strftime(“run_%Y_%m_%d-%H_%M_%S”)
 return os.path.join(root_logdir, run_id)
 
run_logdir = get_run_logdir()

tensorboard_cb = keras.callbacks.TensorBoard(run_logdir)

model.fit(X_train, y_train.values, batch_size = 2000, epochs = 20, verbose = 1, callbacks=[tensorboard_cb])

%load_ext tensorboard
%tensorboard --logdir=./my_logs --port=6006

超参调节

如前所述，对于一个问题空间，有多少暗藏层或多少神经元最适宜，并没有预约义的规定。咱们能够应用随机化 searchcv 或 GridSearchCV 来超调一些参数。可微调的参数概述如下：

  • 暗藏层数
  • 暗藏层神经元
  • 优化器
  • 学习率
  • epoch

申明函数以开发模型

def build_model(n_hidden_layer=1, n_neurons=10, input_shape=29):
    
    # 创立模型
    model = Sequential()
    model.add(Dense(10, input_shape = (29,), activation = 'tanh'))
for layer in range(n_hidden_layer):
        model.add(Dense(n_neurons, activation="tanh"))
model.add(Dense(1, activation = 'sigmoid'))
    
    # 编译模型
model.compile(optimizer ='Adam', loss = 'binary_crossentropy', metrics=['accuracy'])
    
    return model

应用包装类克隆模型

from sklearn.base import clone
 
keras_class = tf.keras.wrappers.scikit_learn.KerasClassifier(build_fn = build_model,nb_epoch = 100,
 batch_size=10)
clone(keras_class)

keras_class.fit(X_train, y_train.values)

创立随机搜寻网格

from scipy.stats import reciprocal
from sklearn.model_selection import RandomizedSearchCV

param_distribs = {“n_hidden_layer”: [1, 2, 3],“n_neurons”: [20, 30],
#“learning_rate”: reciprocal(3e-4, 3e-2),
#“opt”:[‘Adam’]
}

rnd_search_cv = RandomizedSearchCV(keras_class, param_distribs, n_iter=10, cv=3)

rnd_search_cv.fit(X_train, y_train.values, epochs=5)

查看最佳参数

rnd_search_cv.best_params_

{'n_neurons': 30, 'n_hidden_layer': 3}

rnd_search_cv.best_score_

model = rnd_search_cv.best_estimator_.model

优化器也应该微调，因为它们影响梯度降落、收敛和学习速率的主动调整。

  • Adadelta -Adadelta 是 Adagrad 的一个更强壮的扩大，它基于梯度更新的挪动窗口来调整学习速率，而不是累积所有过来的梯度
  • 随机梯度降落- 罕用。须要应用搜寻网格微调学习率
  • Adagrad- 对于所有参数和其余优化器的每个周期，学习速率都是恒定的。然而，Adagrad 在解决误差函数导数时，会扭转每个参数的学习速率“η”，并在每个工夫步长“t”处扭转
  • ADAM-ADAM(自适应矩预计)利用一阶和二阶动量来避免跳越部分极小值，放弃了过来梯度的指数衰减平均值

一般来说，通过减少层的数量而不是每层神经元的数量，能够取得更好的输入。

参考文献

Aurélien Géron (2017). Hands-on machine learning with Scikit-Learn and TensorFlow : concepts, tools, and techniques to build intelligent systems. Sebastopol, Ca: O’reilly Media

原文链接：https://towardsdatascience.co…

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正文完
人工智能
发表至： 人工智能
2020-10-14
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