楠木軒

TensorFlow 2入門指南，初學者必備！

由 仝海燕 發佈於 科技

字幕組雙語原文：TensorFlow 2入門指南，初學者必備！

英語原文：Getting Started with TensorFlow 2

翻譯：雷鋒字幕組（贇瑾和鳴、大表哥）

什麼是Tensorflow？

TensorFlow是谷歌推出的深度學習框架，於2019年發佈了第二版。 它是世界上最著名的深度學習框架之一，被行業專家和研究人員廣泛使用。

Tensorflow v1難以使用和理解，因為它的Pythonic較少，但是隨着Keras發行的v2現在與Tensorflow.keras完全同步，它易於使用，易學且易於理解。

請記住，這不是有關深度學習的文章，所以我希望您瞭解深度學習的術語及其背後的基本思想。

我們將使用非常著名的數據集IRIS數據集探索深度學習的世界。

廢話不多説，我們直接看看代碼。

導入和理解數據集

from sklearn.datasets import load_iris

iris = load_iris()

現在，這個  iris 是一個字典。 我們可以使用下面的代碼查看鍵值

>>> iris.keys()

dict_keys([‘data’, ‘target’, ‘frame’, ‘target_names’, ‘DESCR’, ‘feature_names’, ‘filename’])

因此，我們的數據在 data  鍵中，目標在  targe 鍵中，依此類推。 如果要查看此數據集的詳細信息，可以使用  iris[ ['DESCR']。

現在，我們必須導入其他重要的庫，這將有助於我們創建神經網絡。

from sklearn.model_selection import train_test_split #to split data

import numpy as np

import pandas as pd

import matplotlib.pyplot as plt

import tensorflow as tf

from tensorflow.keras.layers import Dense

from tensorflow.keras.models import Sequential

在這裏，我們從tensorflow中導入了2個主要的東西，分別是Dense和Sequential。 從tensorflow.keras.layers導入的Dense是緊密連接的一種層。 密集連接的層意味着先前層的所有節點都連接到當前層的所有節點。

Sequential是Keras的API，通常稱為Sequential API，我們將使用它來構建神經網絡。

為了更好地理解數據，我們可以將其轉換為數據幀。 我們開始做吧。

X = pd.DataFrame(data = iris.data, columns = iris.feature_names)

print(X.head())


X.head()

請注意，這裏我們設置了column = iris.feature_names，其中feature_names是具有所有4個特徵名稱的鍵。

同樣對於目標，

y = pd.DataFrame(data=iris.target, columns = [‘irisType’])


y.head()

要查看目標集合中的類數量，我們可以使用

y.irisType.value_counts()


這裏我們可以看到我們有3個類，每個類都有標籤0、1和2。

iris.target_names #它是iris詞典的鍵值


這些是我們必須預測的類名稱。

機器學習的數據預處理

目前，機器學習的第一步就是數據預處理。數據預處理的主要步驟是：

  • 填入缺失值

  • 將數據分割成為訓練集以及驗證集

  • 對數據進行標準化處理

  • 將類別性數據轉換成為獨熱向量

缺失值

為了檢查是否存在缺失值，我們可以用pandas.DataFrame.info()來進行檢查工作。

X.info()


這樣我們就可以看到我們（很幸運地）沒有缺失值，並且所有特徵都是float64格式的。

分割為訓練集和測試集

為了將數據集分割為訓練集和測試集，我們可以使用先前已經引入過的sklearn.model_selection中的train_test_split。

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X,y, test_size=0.1)

其中test_size是一種聲明，它説明我們希望整個數據集的10%被用來做為測試數據。

數據的標準化

一般情況下，當數據的偏差非常大的時候，我們會對數據進行標準化。為了查看偏差值，我們可以使用pandas.DataFrame中的var()函數來檢查所有列的偏差值。

X_train.var(), X_test.var()


 這樣我們便可以看到，X_train和X_test的偏差值都非常低，因此無需對數據進行標準化。

將分類數據轉換為一個獨熱向量

因為我們知道我們的輸出數據是已經使用iris.target_name檢查過的3個類之一，所以好消息是，當我們加載目標時，它們已經是0、1、2格式，其中0=1類，1=2類，依此類推。

這種表示方式的問題在於，我們的模型可能會賦予越高的數字更高的優先級，這可能會導致結果有偏差。 因此，為了解決這個問題，我們將使用單熱點表示法。 你可以在這裏瞭解更多關於一個熱門載體的信息。 我們可以使用內置的KERS TO_CATEGRICAL，也可以使用skLearn中的OneHotEncoding。 我們將使用to_classical。

y_train = tf.keras.utils.to_categorical(y_train)

y_test = tf.keras.utils.to_categorical(y_test)

我們將只檢查前5行，以檢查它是否已正確轉換。

y_train[:5,:]


 是的，我們已經把它轉換成了獨熱的表達方式。

最後一件事

我們可以做的最後一件事是將我們的數據轉換回Numpy數組，這樣我們就可以使用一些額外的函數，這些函數將在稍後的模型中對我們有所幫助。 要做到這一點，我們可以使用

X_train = X_train.values

X_test = X_test.values

讓我們看看第一個訓練示例的結果是什麼。

X_train[0]


在這裏，我們可以看到第一個訓練示例中4個特徵的值，它的形狀是(4)，

當我們在它們上使用to_Category時，我們的目標標籤已經是數組格式。

機器學習模型

現在，我們終於準備好創建我們的模型並對其進行訓練。 我們將從一個簡單的模型開始，然後我們將轉到複雜的模型結構，在那裏我們將介紹Keras中的不同技巧和技術。

讓我們對我們的基本模型進行編碼

model1 = Sequential() #Sequential Object

首先，我們必須創建一個Sequential對象。 現在，要創建一個模型，我們所要做的就是根據我們的選擇添加不同類型的層。 我們將製作一個10層的Dense層模型，這樣我們就可以觀察到過擬合，並在以後通過不同的正則化技術來減少它。

model1.add( Dense( 64, activation = 'relu', input_shape= X_train[0].shape))

model1.add( Dense (128, activation = 'relu')

model1.add( Dense (128, activation = 'relu')

model1.add( Dense (128, activation = 'relu')

model1.add( Dense (128, activation = 'relu')

model1.add( Dense (64, activation = 'relu')

model1.add( Dense (64, activation = 'relu')

model1.add( Dense (64, activation = 'relu')

model1.add( Dense (64, activation = 'relu')

model1.add( Dense (3, activation = 'softmax')

請注意，在我們的第一層中，我們使用了一個額外的參數INPUT_Shape。 此參數指定第一層的尺寸。 在這種情況下，我們不關心訓練示例的數量。 相反，我們只關心功能的數量。 因此，我們傳入任何訓練示例的形狀，在我們的示例中，它是(4，)在input_Shape內。

請注意，我們在輸出層中使用了Softmax(激活函數)，因為它是一個多類分類問題。 如果這是一個二進制分類問題，我們會使用Sigmoid激活函數。

我們可以傳入任何我們想要的激活函數，如Sigmoid或linear或tanh，但實驗證明relu在這類模型中表現最好。

現在，當我們定義了模型的形狀後，下一步是指定它的損耗、優化器和度量。 我們在keras中使用Compile方法指定這些參數。

model1.compile(optimizer='adam', loss= 'categorical_crossentropy', metrics = ['acc'])

在這裏，我們可以使用任何優化器，如隨機梯度下降、RMSProp等，但我們將使用Adam。

我們在這裏使用CATEGRICAL_CROSENTROPY是因為我們有一個多類分類問題，如果我們有一個二進制分類問題，我們將使用BINARY_CROSENTROPY。

衡量標準對於評估一個人的模型是很重要的。 我們可以根據不同的度量標準來評估我們的模型。 對於分類問題，最重要的衡量標準是準確度，它表明我們的預測有多準確。

我們模型的最後一步是將其匹配到訓練數據和訓練標籤上。 讓我們對它進行編碼。

history = model1.fit(X_train, y_train, batch_size = 40, epochs=800, validation_split = 0.1

fit返回一個回調，其中包含我們訓練的所有歷史記錄，我們可以使用它來執行不同的有用任務，如繪圖等。

歷史回調有一個名為history的屬性，我們可以將其作為history.history進行訪問，這是一個包含所有損失和指標歷史的字典，即，在我們的示例中，它具有Loss、Acc、val_loses和val_acc的歷史記錄，並且我們可以將每個單獨的歷史記錄作為 history.history.loss 或  history.history['val_acc']  等進行訪問。

我們有一個指定的epoch數為800，batch大小為40，驗證拆分為0.1，這意味着我們現在有10%的驗證數據，我們將使用這些數據來分析我們的訓練。 使用800個epoch將過度擬合數據，這意味着它將在訓練數據上執行得非常好，但在測試數據上則不會。

當模型進行訓練時，我們可以看到我們在訓練集和驗證集上的損失和準確性。

在此，我們可以看到，訓練集上的準確率是100%，驗證集上的準確率則為67%，這對於這樣一個模型來説已經很出色了。接下來就讓我們畫出圖像。

plt.plot(history.history['acc'])

plt.plot(history.history['val_acc'])

plt.xlabel('Epochs')

plt.ylabel('Acc')

plt.legend(['Training', 'Validation'], loc='upper right')


 我們可以很清楚地看到，訓練集上的準確率要比驗證集上高得多了。

類似地，我們用如下方法畫出損失：

plt.plot(history.history['loss'])

plt.plot(history.history['val_loss'])

plt.xlabel('Epochs')

plt.ylabel('Loss')

plt.legend(['Training', 'Validation'], loc='upper left')


在此，我們可以很清楚地看到，驗證集上的損失比訓練集上要大得多了，這是因為數據被過擬合了。

為了看看模型的表現是不是好，我們可以使用model.evaluate來查看。我們要將數據和標籤放入評估函數中。

model1.evaluate(X_test, y_test)


這樣，我們就可看到模型的準確率為88%，這對於一個過擬合的模型來説已經很好了。  

正則化

讓我們通過將正則化添加到我們的模型中來使它變得更好。 正則化將減少我們模型的過度擬合，並將改進我們的模型。

我們將在我們的模型中添加L2正則化。 單擊 此處瞭解有關L2正則化的更多信息。 要在我們的模型中添加L2正則化，我們必須指定要添加正則化的層，並給出一個附加參數kernel_Regularizer，然後傳遞tf.keras.Regularizers.l2()。

我們還將在我們的模型中實現一些dropout，這將幫助我們更好地減少過擬合，從而獲得更好的性能。 要閲讀更多關於dropout背後的理論和動機，請參閲這篇文章。

讓我們重新定義這個模型吧。

model2 = Sequential()

model2.add(Dense(64, activation = 'relu', input_shape= X_train[0].shape))

model2.add( Dense(128, activation = 'relu', kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add( Dense (128, activation = 'relu',kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5)

model2.add( Dense (128, activation = 'relu', kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add(Dense(128, activation = 'relu', kernel_regularizer = tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add( Dense (64, activation = 'relu', kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add( Dense (64, activation = 'relu', kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5)

model2.add( Dense (64, activation = 'relu', kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add( Dense (64, activation = 'relu', kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

model2.add( Dense (3, activation = 'softmax', kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.001)

))

如果你仔細觀察，我們所有的層和參數都是一樣的，除了我們在每個dense層中增加了2個dropout層和正則化。

我們將保留所有其他東西(損失、優化器、epoch等)一樣。

model2.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['acc'])

history2 = model2.fit(X_train, y_train, epochs=800, validation_split=0.1, batch_size=40)

現在讓我們評估一下模型。

你猜怎麼着？ 通過加入正則化和dropout層，我們的準確率從88%提高到94%。 如果我們增加了BN層，它將會進一步改善。

讓我們把它畫出來。

準確率

plt.plot(history2.history['acc'])

plt.plot(history2.history['val_acc'])

plt.title('Accuracy vs. epochs')

plt.ylabel('Acc')

plt.xlabel('Epoch')

plt.legend(['Training', 'Validation'], loc='lower right')

plt.show()


 

plt.plot(history2.history['loss'])

plt.plot(history2.history['val_loss'])

plt.title('Loss vs. epochs')

plt.ylabel('Loss')

plt.xlabel('Epoch')

plt.legend(['Training', 'Validation'], loc='upper right')

plt.show()



洞見

如此一來，我們就非常成功地改善了模型的過擬合，並且將模型準確率提升了幾乎6%，這對於一個小數據集來説是很好的改善。

雷鋒字幕組是由AI愛好者組成的志願者翻譯團隊；團隊成員有大數據專家、算法工程師、圖像處理工程師、產品經理、產品運營、IT諮詢人、在校師生；志願者們來自IBM、AVL、Adobe、阿里、百度等知名企業，北大、清華、港大、中科院、南卡羅萊納大學、早稻田大學等海內外高校研究所。

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