TensorFlow如何實(shí)現(xiàn)反向傳播
使用TensorFlow的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,它可以維護(hù)操作狀態(tài)和基于反向傳播自動(dòng)地更新模型變量。
TensorFlow通過計(jì)算圖來更新變量和最小化損失函數(shù)來反向傳播誤差的。這步將通過聲明優(yōu)化函數(shù)(optimization function)來實(shí)現(xiàn)。一旦聲明好優(yōu)化函數(shù),TensorFlow將通過它在所有的計(jì)算圖中解決反向傳播的項(xiàng)。當(dāng)我們傳入數(shù)據(jù),最小化損失函數(shù),TensorFlow會(huì)在計(jì)算圖中根據(jù)狀態(tài)相應(yīng)的調(diào)節(jié)變量。
回歸算法的例子從均值為1、標(biāo)準(zhǔn)差為0.1的正態(tài)分布中抽樣隨機(jī)數(shù),然后乘以變量A,損失函數(shù)為L2正則損失函數(shù)。理論上,A的最優(yōu)值是10,因?yàn)樯傻臉永龜?shù)據(jù)均值是1。
二個(gè)例子是一個(gè)簡單的二值分類算法。從兩個(gè)正態(tài)分布(N(-1,1)和N(3,1))生成100個(gè)數(shù)。所有從正態(tài)分布N(-1,1)生成的數(shù)據(jù)標(biāo)為目標(biāo)類0;從正態(tài)分布N(3,1)生成的數(shù)據(jù)標(biāo)為目標(biāo)類1,模型算法通過sigmoid函數(shù)將這些生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)類數(shù)據(jù)。換句話講,模型算法是sigmoid(x+A),其中,A是要擬合的變量,理論上A=-1。假設(shè),兩個(gè)正態(tài)分布的均值分別是m1和m2,則達(dá)到A的取值時(shí),它們通過-(m1+m2)/2轉(zhuǎn)換成到0等距的值。后面將會(huì)在TensorFlow中見證怎樣取到相應(yīng)的值。
同時(shí),指定一個(gè)合適的學(xué)習(xí)率對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的收斂是有幫助的。優(yōu)化器類型也需要指定,前面的兩個(gè)例子會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)梯度下降法,它在TensorFlow中的實(shí)現(xiàn)是GradientDescentOptimizer()函數(shù)。
# 反向傳播 #---------------------------------- # # 以下Python函數(shù)主要是展示回歸和分類模型的反向傳播 import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np import tensorflow as tf from tensorflow.python.framework import ops ops.reset_default_graph() # 創(chuàng)建計(jì)算圖會(huì)話 sess = tf.Session() # 回歸算法的例子: # 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. # 生成數(shù)據(jù),創(chuàng)建占位符和變量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正則損失函數(shù) loss = tf.square(my_output - y_target) # 在運(yùn)行優(yōu)化器之前,需要初始化變量 init = tf.global_variables_initializer() sess.run(init) # 聲明變量的優(yōu)化器 my_opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.02) train_step = my_opt.minimize(loss) # 訓(xùn)練算法 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}))) # 分類算法例子 # 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 # 重置計(jì)算圖 ops.reset_default_graph() # Create graph sess = tf.Session() # 生成數(shù)據(jù) 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) # 偏差變量A (one model parameter = A) A = tf.Variable(tf.random_normal(mean=10, shape=[1])) # 增加轉(zhuǎn)換操作 # Want to create the operstion sigmoid(x + A) # Note, the sigmoid() part is in the loss function my_output = tf.add(x_data, A) # 由于指定的損失函數(shù)期望批量數(shù)據(jù)增加一個(gè)批量數(shù)的維度 # 這里使用expand_dims()函數(shù)增加維度 my_output_expanded = tf.expand_dims(my_output, 0) y_target_expanded = tf.expand_dims(y_target, 0) # 初始化變量A init = tf.global_variables_initializer() sess.run(init) # 聲明損失函數(shù) 交叉熵(cross entropy) xentropy = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=my_output_expanded, labels=y_target_expanded) # 增加一個(gè)優(yōu)化器函數(shù) 讓TensorFlow知道如何更新和偏差變量 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}))) # 評(píng)估預(yù)測 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('最終精確度 = ' + str(np.round(accuracy, 2)))
輸出:
Step #25 A = [ 6.12853956] Loss = [ 16.45088196] Step #50 A = [ 8.55680943] Loss = [ 2.18415046] Step #75 A = [ 9.50547695] Loss = [ 5.29813051] Step #100 A = [ 9.89214897] Loss = [ 0.34628963] Step #200 A = [ 3.84576249] Loss = [[ 0.00083012]] Step #400 A = [ 0.42345378] Loss = [[ 0.01165466]] Step #600 A = [-0.35141727] Loss = [[ 0.05375391]] Step #800 A = [-0.74206048] Loss = [[ 0.05468176]] Step #1000 A = [-0.89036471] Loss = [[ 0.19636908]] Step #1200 A = [-0.90850282] Loss = [[ 0.00608062]] Step #1400 A = [-1.09374011] Loss = [[ 0.11037558]] 最終精確度 = 1.0
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