新闻分类：人工智能多分类问题

上一节我们提到了三个非常经典的问题，他们分别是：

1. 二分类问题（电影评论好坏倾向性判断）
2. 多分类问题（将新闻按照主题分类）
3. 回归问题（根据房地产数据估算房地产价格）

上一篇中，我们介绍了其中的二分类问题，这一篇我们介绍其中的多分类问题。如果你没有阅读过上一篇，请先阅读上一篇，否则下文很多内容你会不知所云。现在我们开始今天的话题：

实际的背景是这样的：路透社将新闻分为了 46 个互斥的大类，一篇文章可能归属于其中的一类或多类，我们需要做的就是将新闻报道自动归类。问题不是与上一篇一样的非黑即白、非此即彼类型的判断了，而是考虑每篇文章是不同的各个分类的概率。稍加思考，我们就会发现这个问题虽然与上个问题有如上的不同，但是其相同部分其实更多，我们只需根据不同的特殊情况进行一定的更改就好了。具体的内容下面分别说明，相同部分简略说明，如有疑问请阅读上篇文章：

1. 数据与前文一样，都可进行相同的初始化，即按照索引，将文章数据处理为单词索引的序列串，用 one-hot 方法处理向量使其可以为网络所处理。有区别的是这一次的结果，label 也需要处理，因为结果不是两个值，也是一个张量了。

2. 仍然采用 relu 激活的中间层，投射的空间维度不能是 16 了，这里改成 64，原因是因为结果太多，用十六个维度去包含六十四个结果的信息，会在训练的过程中丢失过多的信息，导致准确率会有较大的下降，因此这里采用 64 层。

3. 对于损失函数，上一篇的 binary_crossentropy 就不够用了，需要修改损失函数，sparse_categorical_crossentropy 适用于多分类情况的损失函数，前者与后者之间只是接口上的不同，需要注意一下。

4. 我们仍旧训练 20 次，也出现了上次的问题，过拟合，只不过这一次是出现在第九次的迭代后，因此我们将迭代此处改为九，重新训练网络。图我放在了代码的前面，可以查看：

5. 6. 最后一层的网络，激活不应该用 sigmoid，而应该用 softmax，这样才能输出类别上的概率分布。这一点与二分类分布不一样。

6. 最后启动训练网络，进行训练，大致可以达到 80% 的准确度。

7. 到这里就结束了，但是还有两个问题值得关注一下。我们用随机分类器随机对文章进行分类，准确率是 19%，上一篇中的二分类的可以达到 50%。我们最后每条测试数据得到的结果是一个 46 维度的向量，是各个类别的概率值，其相加为 1（由于运算精度问题，最后其实是跟 1 有可能有一个很小的偏差），最大概率的类别就是我们的预测类别。相关代码已经在最后给出，可以参考查看。

没有更多新的东西了，就简单介绍这些，图片代码如下给出：

#!/usr/bin/env python3

import copy

import numpy as np
from keras import layers
from keras import models
from keras.datasets import reuters


def classify():
    (train_data, train_labels), (test_data, test_labels) = reuters.load_data(num_words=10000)
    # print('训练集长度：', len(train_data))
    # print('测试集长度：', len(test_data))
    # print(train_data[10])

    # 查看原文
    # word_index = reuters.get_word_index()
    # reverse_word_index = dict([(value, key) for (key, value) in word_index.items()])
    # decoded_newswire = ' '.join([reverse_word_index.get(i - 3, '?') for i in train_data[0]])
    # print(decoded_newswire)

    # 输出某一标签的分类索引
    # print(train_labels[3])

    x_train = vectorize_sequences(train_data)
    x_test = vectorize_sequences(test_data)

    # 将编码转换成张量
    # y_train = np.array(train_labels)
    # y_test = np.array(test_labels)

    one_hot_train_labels = to_one_hot(train_labels)
    one_hot_test_labels = to_one_hot(test_labels)
    # one_hot_train_labels = to_categorical(train_labels)
    # one_hot_test_labels = to_categorical(test_labels)

    model = models.Sequential()
    model.add(layers.Dense(64, activation='relu', input_shape=(10000,)))
    model.add(layers.Dense(64, activation='relu'))
    model.add(layers.Dense(46, activation='softmax'))

    model.compile(optimizer='rmsprop', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
    # model.compile(optimizer='rmsprop', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['acc'])
    # model.compile(optimizer='rmsprop', loss='binary_crossentropy', metrics=['acc'])

    x_val = x_train[:1000]
    partial_x_train = x_train[1000:]
    y_val = one_hot_train_labels[:1000]
    partial_y_train = one_hot_train_labels[1000:]

    history = model.fit(partial_x_train, partial_y_train, epochs=9, batch_size=512, validation_data=(x_val, y_val))

    # 图片输出测试结果
    # loss = history.history['loss']
    # val_loss = history.history['val_loss']
    # epochs = range(1, len(loss) + 1)
    # plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='训练损失')
    # plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='验证损失')
    # plt.title('训练损失和验证损失')
    # plt.xlabel('迭代')
    # plt.ylabel('精度')
    # plt.legend()
    # plt.show()

    # plt.clf()
    # acc = history.history['acc']
    # val_acc = history.history['val_acc']
    # plt.plot(epochs, acc, 'bo', label='训练精度')
    # plt.plot(epochs, val_acc, 'b', label='验证精度')
    # plt.title('训练精度和验证精度')
    # plt.xlabel('迭代')
    # plt.ylabel('精度')
    # plt.legend()
    # plt.show()

    results = model.evaluate(x_test, one_hot_test_labels)
    # 80%
    print(results)

    # 如果是随机分类器
    test_labels_copy = copy.copy(test_labels)
    np.random.shuffle(test_labels_copy)
    hits_array = np.array(test_labels) == np.array(test_labels_copy)
    # 19%
    print(float(np.sum(hits_array)) / len(test_labels))

    # 预测值
    predictions = model.predict(x_test)
    print(predictions[10].shape)
    print(np.sum(predictions[10]))
    print(np.argmax(predictions[10]))


def vectorize_sequences(sequences, dimension=10000):
    results = np.zeros((len(sequences), dimension))
    for i, sequence in enumerate(sequences):
        results[i, sequence] = 1.
    return results


def to_one_hot(labels, dimension=46):
    results = np.zeros((len(labels), dimension))
    for i, label in enumerate(labels):
        results[i, label] = 1.
    return results


if __name__ == "__main__":
    classify()