使用TensorFlow 2.1 对鸢尾花进行分类
说明:这个系列课程是北京大学的TensorFlow2.0的精品课,讲的细致,干货很多。
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1 安装TensorFlow 2.1和显卡支持
1.1 安装miniconda或者anaconda
创建虚拟环境
conda create -n AI python=3.7
进入虚拟环境
conda activate AI
1.1 安装英伟达GPU加速包和TensorFlow 2.1
conda install cudatoolkit=10.1
conda install cudnn=7.6
pip install tensorflow==2.1
1.2 测试TensorFlow是否安装成功
import tensorflow as tf # 导入tf
tf.test.is_gpu_available() # 测试GPU功能是否开启,如果返回True说明没有问题
2 训练鸢尾花分类
输入数据集特征为['花萼长度', '花萼宽度', '花瓣长度', '花瓣宽度'],标签为:Setosa Iris(狗尾草 鸢尾),Versicolour Iris(杂色鸢尾),Virginica Iris(弗吉尼亚鸢尾)三类,分别用数字0,1,2表示。
网络模型为:
训练模型为:
参数为:w和b
2.1 导入模块
# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
2.1 加载数据集
使用sklearn加载训练数据集。
# 导入数据,分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data # (150,3)
y_data = datasets.load_iris().target # (150)
使用下面的语句输出数据集的shape和dtype
print("x_data shape:{}, dtype={}".format(x_data.shape, x_data.dtype))
print("y_data shape:{}, dtype={}".format(y_data.shape, y_data.dtype))
结果:
x_data shape:(150, 4), dtype=float64 # 特征
y_data shape:(150,), dtype=int32 # 标签
2.2 数据集乱序
# 随机打乱数据(因为原始数据是顺序的,顺序不打乱会影响准确率)
# seed: 随机数种子,是一个整数,当设置之后,每次生成的随机数都一样(为方便教学,以保每位同学结果一致)
np.random.seed(116) # 使用相同的seed,保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
2.3 分成训练集和数据集
# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集,训练集为前120行,测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 转换x的数据类型,否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
2.4 配成[输入特征,标签]对,每次喂入一小撮(batch)
# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。(把数据集分批次,每个批次batch组数据)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)
2.5 搭建神经网络,定义神经网络中所有可训练参数
生成截断式正态分布的随机数
tf.random.truncated_normal (维度,mean=均值,stddev=标准差)
在tf.truncated_normal中如果随机生成数据的取值在(μ-2σ,μ+2σ)之外 则重新进行生成,保证了生成值在均值附近。
μ:均值, σ:标准差
# 生成神经网络的参数,4个输入特征故,输入层为4个输入节点;因为3分类,故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同(方便教学,使大家结果都一致,在现实使用时不写seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1)) # 生成截断式正态分布随机数
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))
2.6 定义保存数据和学习率等参数
lr = 0.1 # 学习率为0.1
train_loss_results = [] # 将每轮的loss记录在此列表中,为后续画loss曲线提供数据
test_acc = [] # 将每轮的acc记录在此列表中,为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500 # 循环500轮
loss_all = 0 # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和
2.7 嵌套循环迭代,with结构更新参数,显示当前loss(训练部分)
tf.on_hot(x, depth=num)
对x求独热码,分为num类。比如将一个人分为到【男,女】类别中,那么这个人只能分到其中1类中,那么如果是则为1,不是则为0,那么分类情况就有两种,[0,1]和[1,0],这个就是独热码。三分类就是[0,0,1],[0,1,0],[1,0,0]。
tf.nn.sotfmax(x)
使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
import tensorflow as tf a = tf.constant([1,1,1], dtype=tf.float32) a_ = tf.nn.softmax(a) print(a) print(a_)
上面代码输出为:
tf.Tensor([1. 1. 1.], shape=(3,), dtype=float32) tf.Tensor([0.33333334 0.33333334 0.33333334], shape=(3,), dtype=float32)
输出的概率和为1,并且符合概率分布。
均方误差(MSE)
是各数据偏离真实值 差值的平方和 的平均数
# 训练部分
for epoch in range(epoch): #数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db): #batch级别的循环 ,每个step循环一个batch
with tf.GradientTape() as tape: # with结构记录梯度信息
y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 # 神经网络乘加运算
y = tf.nn.softmax(y) # 使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3) # 将标签值转换为独热码格式,方便计算loss和accuracy
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y)) # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
loss_all += loss.numpy() # 将每个step计算出的loss累加,为后续求loss平均值提供数据,这样计算的loss更准确
# 计算loss对各个参数的梯度
grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
# 实现梯度更新 w1 = w1 - lr * w1_grad b = b - lr * b_grad
w1.assign_sub(lr * grads[0]) # 参数w1自更新
b1.assign_sub(lr * grads[1]) # 参数b自更新
# 每个epoch,打印loss信息
print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all/4))
train_loss_results.append(loss_all / 4) # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
loss_all = 0 # loss_all归零,为记录下一个epoch的loss做准备
#(测试部分.....)
2.8 算当前参数前向传播后的准确率,显示当前acc(测试部分)
for epoch in range(epoch): #数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
#(训练部分.....)
# 测试部分
# total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数,将这两个变量都初始化为0
total_correct, total_number = 0, 0
for x_test, y_test in test_db:
# 使用更新后的参数进行预测
y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
y = tf.nn.softmax(y)
pred = tf.argmax(y, axis=1) # 返回y中最大值的索引,即预测的分类
# 将pred转换为y_test的数据类型
pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
# 若分类正确,则correct=1,否则为0,将bool型的结果转换为int型
correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
# 将每个batch的correct数加起来
correct = tf.reduce_sum(correct)
# 将所有batch中的correct数加起来
total_correct += int(correct)
# total_number为测试的总样本数,也就是x_test的行数,shape[0]返回变量的行数
total_number += x_test.shape[0]
# 总的准确率等于total_correct/total_number
acc = total_correct / total_number
test_acc.append(acc)
print("Test_acc:", acc)
print("--------------------------")
2.9 数据可视化loss和acc
# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve') # 图片标题
plt.xlabel('Epoch') # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss') # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$") # 逐点画出trian_loss_results值并连线,连线图标是Loss
plt.legend() # 画出曲线图标
plt.show() # 画出图像
# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve') # 图片标题
plt.xlabel('Epoch') # x轴变量名称
plt.ylabel('Acc') # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$") # 逐点画出test_acc值并连线,连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()
2.10 完整代码
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 利用鸢尾花数据集,实现前向传播、反向传播,可视化loss曲线
# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
# 导入数据,分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target
# 随机打乱数据(因为原始数据是顺序的,顺序不打乱会影响准确率)
# seed: 随机数种子,是一个整数,当设置之后,每次生成的随机数都一样(为方便教学,以保每位同学结果一致)
np.random.seed(116) # 使用相同的seed,保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集,训练集为前120行,测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 转换x的数据类型,否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。(把数据集分批次,每个批次batch组数据)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)
# 生成神经网络的参数,4个输入特征故,输入层为4个输入节点;因为3分类,故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同(方便教学,使大家结果都一致,在现实使用时不写seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1)) # 生成截断式正态分布随机数
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))
lr = 0.1 # 学习率为0.1
train_loss_results = [] # 将每轮的loss记录在此列表中,为后续画loss曲线提供数据
test_acc = [] # 将每轮的acc记录在此列表中,为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500 # 循环500轮
loss_all = 0 # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和
# 训练部分
for epoch in range(epoch): #数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db): #batch级别的循环 ,每个step循环一个batch
with tf.GradientTape() as tape: # with结构记录梯度信息
y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 # 神经网络乘加运算
y = tf.nn.softmax(y) # 使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3) # 将标签值转换为独热码格式,方便计算loss和accuracy
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y)) # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
loss_all += loss.numpy() # 将每个step计算出的loss累加,为后续求loss平均值提供数据,这样计算的loss更准确
# 计算loss对各个参数的梯度
grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
# 实现梯度更新 w1 = w1 - lr * w1_grad b = b - lr * b_grad
w1.assign_sub(lr * grads[0]) # 参数w1自更新
b1.assign_sub(lr * grads[1]) # 参数b自更新
# 每个epoch,打印loss信息
print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all/4))
train_loss_results.append(loss_all / 4) # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
loss_all = 0 # loss_all归零,为记录下一个epoch的loss做准备
# 测试部分
# total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数,将这两个变量都初始化为0
total_correct, total_number = 0, 0
for x_test, y_test in test_db:
# 使用更新后的参数进行预测
y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
y = tf.nn.softmax(y)
pred = tf.argmax(y, axis=1) # 返回y中最大值的索引,即预测的分类
# 将pred转换为y_test的数据类型
pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
# 若分类正确,则correct=1,否则为0,将bool型的结果转换为int型
correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
# 将每个batch的correct数加起来
correct = tf.reduce_sum(correct)
# 将所有batch中的correct数加起来
total_correct += int(correct)
# total_number为测试的总样本数,也就是x_test的行数,shape[0]返回变量的行数
total_number += x_test.shape[0]
# 总的准确率等于total_correct/total_number
acc = total_correct / total_number
test_acc.append(acc)
print("Test_acc:", acc)
print("--------------------------")
# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve') # 图片标题
plt.xlabel('Epoch') # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss') # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$") # 逐点画出trian_loss_results值并连线,连线图标是Loss
plt.legend() # 画出曲线图标
plt.show() # 画出图像
# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve') # 图片标题
plt.xlabel('Epoch') # x轴变量名称
plt.ylabel('Acc') # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$") # 逐点画出test_acc值并连线,连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()