day-19 多种优化模型下的简单神经网络tensorflow示例
如下样例基于tensorflow实现了一个简单的3层深度学习入门框架程序,程序主要有如下特性:
1、 基于著名的MNIST手写数字集样例数据:http://yann.lecun.com/exdb/mnist/
2、 加入衰减学习率优化,使得学习率可以根据训练步数指数级减少,在训练后期增加模型稳定性
3、 加入L2正则化,减少各个权重值大小,避免过拟合问题
4、 加入滑动平均模型,提高模型在验证数据上的准确性
网络一共3层,第一层输入层784个节点的输入层,第二层隐藏层有500个节点,第三层输出层有10个节点。
- # 导入模块库
- import tensorflow as tf
- import datetime
- import numpy as np
- # 已经被废弃掉了
- #from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
- from tensorflow.contrib.learn.python.learn.datasets import mnist
- from tensorflow.contrib.layers import l2_regularizer
- # 屏蔽AVX2特性告警信息
- import os
- os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = ''
- # 屏蔽mnist.read_data_sets被弃用告警
- import logging
- class WarningFilter(logging.Filter):
- def filter(self, record):
- msg = record.getMessage()
- tf_warning = 'datasets' in msg
- return not tf_warning
- logger = logging.getLogger('tensorflow')
- logger.addFilter(WarningFilter())
- # 神经网络结构定义:输入784个特征值,包含一个500个节点的隐藏层,10个节点的输出层
- INPUT_NODE = 784
- OUTPUT_NODE = 10
- LAYER1_NODE = 500
- # 随机梯度下降法数据集大小为100,训练步骤为30000
- BATCH_SIZE = 100
- TRAINING_STEPS = 30000
- # 衰减学习率
- LEARNING_RATE_BASE = 0.8
- LEARNING_RATE_DECAY = 0.99
- # L2正则化
- REGULARIZATION_RATE = 0.0001
- MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99
- validation_accuracy_rate_list = []
- test_accuracy_rate_list = []
- # 定义前向更新过程
- def inference(input_tensor,avg_class,weights1,biase1,weights2,biase2):
- if avg_class == None:
- layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor,weights1) + biase1)
- return tf.matmul(layer1,weights2) + biase2
- else:
- layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor,avg_class.average(weights1)) + avg_class.average(biase1))
- return tf.matmul(layer1,avg_class.average(weights2)) + avg_class.average(biase2)
- # 定义训练过程
- def train(mnist_datasets):
- # 定义输入
- x = tf.placeholder(dtype=tf.float32,shape=[None,784])
- y_ = tf.placeholder(dtype=tf.float32,shape=[None,10])
- # 定义训练参数
- weights1 = tf.Variable(tf.truncated_normal(shape=[INPUT_NODE,LAYER1_NODE],mean=0.0,stddev=0.1))
- biase1 = tf.Variable(tf.constant(value=0.1,dtype=tf.float32,shape=[LAYER1_NODE]))
- weights2 = tf.Variable(tf.truncated_normal(shape=[LAYER1_NODE,OUTPUT_NODE],mean=0.0,stddev=0.1))
- biase2 = tf.Variable(tf.constant(value=0.1,dtype=tf.float32,shape=[OUTPUT_NODE]))
- # 前向更新
- # 训练数据时,不需要使用滑动平均模型,所以avg_class输入为空
- y = inference(x,None,weights1,biase1,weights2,biase2)
- # 该变量记录训练次数,训练模型时常常需要设置为不可训练的变量,即trainable=False
- global_step = tf.Variable(initial_value=0,trainable=False)
- # 生成滑动平均模型,用于验证
- variable_averages = tf.train.ExponentialMovingAverage(decay=MOVING_AVERAGE_DECAY,num_updates=global_step)
- # 在所有代表神经网络的可训练变量上,应用滑动模型,即所有的可训练变量都有一个影子变量
- variable_averages_ops = variable_averages.apply(tf.trainable_variables())
- # 定义数据验证时,前向更新结果
- average_y = inference(x,variable_averages,weights1,biase1,weights2,biase2)
- # 计算交叉熵
- cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(labels=tf.argmax(y_,1),logits=y)
- cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)
- # 计算L2正则化损失
- regularizer = l2_regularizer(REGULARIZATION_RATE)
- regularization = regularizer(weights1) + regularizer(weights2)
- # 计算总损失Loss
- loss = cross_entropy_mean + regularization
- # 定义指数衰减的学习率
- learning_rate = tf.train.exponential_decay(learning_rate=LEARNING_RATE_BASE,global_step=global_step,
- decay_steps=mnist_datasets.train.num_examples / BATCH_SIZE,
- decay_rate=LEARNING_RATE_DECAY)
- # 定义随机梯度下降算法来优化损失函数
- train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=learning_rate)\
- .minimize(loss = loss,global_step = global_step)
- # 每次前向更新完以后,既需要反向更新参数值,又需要对滑动平均模型中影子变量进行更新
- # 和train_op = tf.group(train_step,variable_averages_ops)是等价的
- with tf.control_dependencies([train_step,variable_averages_ops]):
- train_op = tf.no_op(name='train')
- # 定义验证运算,计算准确率
- correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(average_y,1),tf.argmax(y_,1))
- accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(x=correct_prediction,dtype=tf.float32))
- with tf.Session() as sess:
- init = tf.global_variables_initializer()
- sess.run(init)
- validate_feed = {x:mnist_datasets.validation.images,
- y_:mnist_datasets.validation.labels}
- test_feed = {x:mnist_datasets.test.images,
- y_:mnist_datasets.test.labels}
- for i in range(TRAINING_STEPS):
- # 每1000轮,用测试和验证数据分别对模型进行评估
- if i % 1000 == 0:
- validate_accuracy_rate = sess.run(accuracy,validate_feed)
- print("%s: After %d training steps(s),validation accuracy"
- "using average model is %g "%(datetime.datetime.now(),i,validate_accuracy_rate))
- test_accuracy_rate = sess.run(accuracy, test_feed)
- print("%s: After %d training steps(s),test accuracy"
- "using average model is %g " % (datetime.datetime.now(),i, test_accuracy_rate))
- validation_accuracy_rate_list.append(validate_accuracy_rate)
- test_accuracy_rate_list.append(test_accuracy_rate)
- # 获得训练数据
- xs,ys = mnist_datasets.train.next_batch(BATCH_SIZE)
- sess.run(train_op,feed_dict={x:xs,y_:ys})
- # 主程序入口
- def main(argv=None):
- mnist_datasets = mnist.read_data_sets(train_dir='MNIST_data/',one_hot=True)
- train(mnist_datasets)
- print("validation accuracy rate list:",validation_accuracy_rate_list)
- print("test accuracy rate list:",test_accuracy_rate_list)
- # 模块入口
- if __name__ == '__main__':
- tf.app.run()
每1000轮,使用测试和验证数据分别对模型进行评估,绘制出如下准确率曲线图,其中蓝色曲线表示验证数据准确率,深红色曲线表示测试数据准确率,不难发现,通过引入滑动平均模型,模型在验证数据上有更好的准确率。
进一步,通过如下代码,我们对两个准确率求解相关系数:
- import numpy as np
- import math
- x = np.array([0.1748, 0.9764, 0.9816, 0.9834, 0.982, 0.984, 0.9838, 0.9842, 0.9846, 0.985, 0.9848, 0.9854, 0.9854, 0.9838, 0.9846, 0.9838, 0.9848, 0.9844, 0.9846, 0.9858, 0.9846, 0.9848, 0.9852, 0.9844, 0.9846, 0.9848, 0.9852, 0.9846, 0.9852, 0.9854])
- y = np.array([0.1839, 0.9751, 0.9796, 0.9807, 0.9813, 0.9825, 0.983, 0.983, 0.983, 0.9829, 0.9836, 0.9831, 0.9828, 0.9832, 0.9828, 0.9829, 0.9836, 0.9835, 0.9838, 0.9833, 0.9833, 0.9833, 0.9833, 0.9838, 0.9835, 0.9838, 0.9829, 0.9836, 0.9834, 0.984])
- # 计算相关度
- def computeCorrelation(x,y):
- xBar = np.mean(x)
- yBar = np.mean(y)
- SSR = 0.0
- varX = 0.0
- varY = 0.0
- for i in range(0,len(x)):
- diffXXbar = x[i] - xBar
- difYYbar = y[i] - yBar
- SSR += (diffXXbar * difYYbar)
- varX += diffXXbar**2
- varY += difYYbar**2
- SST = math.sqrt(varX * varY)
- return SSR/SST
- # 计算R平方
- def polyfit(x,y,degree):
- results = {}
- coeffs = np.polyfit(x,y,degree)
- results['polynomial'] = coeffs.tolist()
- p = np.poly1d(coeffs)
- yhat = p(x)
- ybar = np.sum(y)/len(y)
- ssreg = np.sum((yhat - ybar)**2)
- sstot = np.sum((y - ybar)**2)
- results['determination'] = ssreg/sstot
- return results
- result = computeCorrelation(x,y)
- r = result
- r_2 = result**2
- print("r:",r)
- print("r^2:",r*r)
- print(polyfit(x,y,1)['determination'])
结果显示,二者相关系数大于0.9999,这意味着在MNIST问题上,完全可以模型在验证数据上的表现来判断模型的优劣。当然,这个仅仅是MNIST数据集上,在其它问题上,还需要具体分析。
- C:\Users\Administrator\Anaconda3\python.exe D:/tensorflow-study/sample.py
- r: 0.9999913306679183
- r^2: 0.999982661410994
- 0.9999826614109977
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