TensorFlow如何实现反向传播-创新互联
使用TensorFlow的一个优势是,它可以维护操作状态和基于反向传播自动地更新模型变量。
TensorFlow通过计算图来更新变量和最小化损失函数来反向传播误差的。这步将通过声明优化函数(optimization function)来实现。一旦声明好优化函数,TensorFlow将通过它在所有的计算图中解决反向传播的项。当我们传入数据,最小化损失函数,TensorFlow会在计算图中根据状态相应的调节变量。
回归算法的例子从均值为1、标准差为0.1的正态分布中抽样随机数,然后乘以变量A,损失函数为L2正则损失函数。理论上,A的最优值是10,因为生成的样例数据均值是1。
二个例子是一个简单的二值分类算法。从两个正态分布(N(-1,1)和N(3,1))生成100个数。所有从正态分布N(-1,1)生成的数据标为目标类0;从正态分布N(3,1)生成的数据标为目标类1,模型算法通过sigmoid函数将这些生成的数据转换成目标类数据。换句话讲,模型算法是sigmoid(x+A),其中,A是要拟合的变量,理论上A=-1。假设,两个正态分布的均值分别是m1和m2,则达到A的取值时,它们通过-(m1+m2)/2转换成到0等距的值。后面将会在TensorFlow中见证怎样取到相应的值。
同时,指定一个合适的学习率对机器学习算法的收敛是有帮助的。优化器类型也需要指定,前面的两个例子会使用标准梯度下降法,它在TensorFlow中的实现是GradientDescentOptimizer()函数。
# 反向传播 #---------------------------------- # # 以下Python函数主要是展示回归和分类模型的反向传播 import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np import tensorflow as tf from tensorflow.python.framework import ops ops.reset_default_graph() # 创建计算图会话 sess = tf.Session() # 回归算法的例子: # We will create sample data as follows: # x-data: 100 random samples from a normal ~ N(1, 0.1) # target: 100 values of the value 10. # We will fit the model: # x-data * A = target # Theoretically, A = 10. # 生成数据,创建占位符和变量A x_vals = np.random.normal(1, 0.1, 100) y_vals = np.repeat(10., 100) x_data = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32) y_target = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32) # Create variable (one model parameter = A) A = tf.Variable(tf.random_normal(shape=[1])) # 增加乘法操作 my_output = tf.multiply(x_data, A) # 增加L2正则损失函数 loss = tf.square(my_output - y_target) # 在运行优化器之前,需要初始化变量 init = tf.global_variables_initializer() sess.run(init) # 声明变量的优化器 my_opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.02) train_step = my_opt.minimize(loss) # 训练算法 for i in range(100): rand_index = np.random.choice(100) rand_x = [x_vals[rand_index]] rand_y = [y_vals[rand_index]] sess.run(train_step, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y}) if (i+1)%25==0: print('Step #' + str(i+1) + ' A = ' + str(sess.run(A))) print('Loss = ' + str(sess.run(loss, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y}))) # 分类算法例子 # We will create sample data as follows: # x-data: sample 50 random values from a normal = N(-1, 1) # + sample 50 random values from a normal = N(1, 1) # target: 50 values of 0 + 50 values of 1. # These are essentially 100 values of the corresponding output index # We will fit the binary classification model: # If sigmoid(x+A) < 0.5 -> 0 else 1 # Theoretically, A should be -(mean1 + mean2)/2 # 重置计算图 ops.reset_default_graph() # Create graph sess = tf.Session() # 生成数据 x_vals = np.concatenate((np.random.normal(-1, 1, 50), np.random.normal(3, 1, 50))) y_vals = np.concatenate((np.repeat(0., 50), np.repeat(1., 50))) x_data = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32) y_target = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32) # 偏差变量A (one model parameter = A) A = tf.Variable(tf.random_normal(mean=10, shape=[1])) # 增加转换操作 # Want to create the operstion sigmoid(x + A) # Note, the sigmoid() part is in the loss function my_output = tf.add(x_data, A) # 由于指定的损失函数期望批量数据增加一个批量数的维度 # 这里使用expand_dims()函数增加维度 my_output_expanded = tf.expand_dims(my_output, 0) y_target_expanded = tf.expand_dims(y_target, 0) # 初始化变量A init = tf.global_variables_initializer() sess.run(init) # 声明损失函数 交叉熵(cross entropy) xentropy = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=my_output_expanded, labels=y_target_expanded) # 增加一个优化器函数 让TensorFlow知道如何更新和偏差变量 my_opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.05) train_step = my_opt.minimize(xentropy) # 迭代 for i in range(1400): rand_index = np.random.choice(100) rand_x = [x_vals[rand_index]] rand_y = [y_vals[rand_index]] sess.run(train_step, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y}) if (i+1)%200==0: print('Step #' + str(i+1) + ' A = ' + str(sess.run(A))) print('Loss = ' + str(sess.run(xentropy, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y}))) # 评估预测 predictions = [] for i in range(len(x_vals)): x_val = [x_vals[i]] prediction = sess.run(tf.round(tf.sigmoid(my_output)), feed_dict={x_data: x_val}) predictions.append(prediction[0]) accuracy = sum(x==y for x,y in zip(predictions, y_vals))/100. print('最终精确度 = ' + str(np.round(accuracy, 2)))
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