TensorFlow – 浅层神经网络 (shallow neural networks)

TensorFlow – 浅层神经网络 (shallow neural networks)

简介

任务时间:30min ~ 60min

本实验介绍浅层神经网络在 TensorFlow 上的实现,并使用模型处理 MNIST 数据集。

MNIST数据集介绍

MNIST是一个手写阿拉伯数字的数据集。

其中包含有60000个已经标注了的训练集,还有10000个用于测试的测试集。

本次实验的任务就是通过手写数字的图片,识别出具体写的是0-9之中的哪个数字。

理论知识回顾

一个典型的浅层神经网络结构如下:

image

  1. 上图所示的是一个只有一层隐藏层的浅层神经网络
  2. 我们有3个输入层节点,分别对应i[1] i[2] i[3]
  3. 隐藏层有4个节点,分别对应h[0] h[1] h[2] h[3],对应的激活函数为ReLu函数
  4. 对于典型的二分类任务,我们只需要1个输出节点,就是out节点,对应的激活函数是softmax函数

激活函数定义(activation function):

<formula>
softmax(x^i) = \left[
    \begin{matrix}
        p(y^i=1|x^i,\theta) \\
        p(y^i=2|x^i,\theta) \\
        \cdots \\
        p(y^i=n|x^i,\theta) 
    \end{matrix}
    \right] = \frac{1}{\sum_{j=1}^{k}e^{\theta_j^Tx^i}} \left[ 
        \begin{matrix} 
            e^{\theta_1^Tx^i} \\
            e^{\theta_2^Tx^i} \\
            \cdots \\
            e^{\theta_k^Tx^i} 
        \end{matrix} 
    \right]
</formula>
<formula>
ReLu(x) = max(0, x)
</formula>

模型设计

  1. MNIST数据一共有784个输入,所以我们需要一个有784个节点的输入层。
  2. 对于中间层,我们设置为1000个节点,使用的激活函数为ReLu
  3. MNIST数据使用One-Hot格式输出,有0-9 10个label,分别对应是否为数字0-9,所以我们在输出层有10个节点,由于0-9的概率是互斥的,我们使用 Softmax 函数作为该层的激活函数

训练模型

任务时间:30min ~ 60min

数据准备

首先我们需要先下载MNIST的数据集。使用以下的命令进行下载:

wget https://devlab-1251520893.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/t10k-images-idx3-ubyte.gz
wget https://devlab-1251520893.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/t10k-labels-idx1-ubyte.gz
wget https://devlab-1251520893.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/train-images-idx3-ubyte.gz
wget https://devlab-1251520893.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/train-labels-idx1-ubyte.gz

创建代码

现在您可以在 /home/ubuntu 目录下创建源文件 shallow_neural_networks.py,内容可参考:

示例代码:/home/ubuntu/shallow_neural_networks.py

import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

def add_layer(inputs, in_size, out_size, activation_function=None):
    W = tf.Variable(tf.random_normal([in_size, out_size]))
    b = tf.Variable(tf.zeros([1, out_size]) + 0.01)

    Z = tf.matmul(inputs, W) + b
    if activation_function is None:
        outputs = Z
    else:
        outputs = activation_function(Z)

    return outputs


if __name__ == "__main__":

    MNIST = input_data.read_data_sets("./", one_hot=True)

    learning_rate = 0.05
    batch_size = 128
    n_epochs = 10

    X = tf.placeholder(tf.float32, [batch_size, 784])
    Y = tf.placeholder(tf.float32, [batch_size, 10])

    l1 = add_layer(X, 784, 1000, activation_function=tf.nn.relu)
    prediction = add_layer(l1, 1000, 10, activation_function=None)

    entropy = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=Y, logits=prediction)
    loss = tf.reduce_mean(entropy)

    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss)

    init = tf.initialize_all_variables()

    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)

        n_batches = int(MNIST.train.num_examples/batch_size)
        for i in range(n_epochs):
            for j in range(n_batches):
                X_batch, Y_batch = MNIST.train.next_batch(batch_size)
                _, loss_ = sess.run([optimizer, loss], feed_dict={X: X_batch, Y: Y_batch})
                if j == 0:
                    print "Loss of epochs[{0}] batch[{1}]: {2}".format(i, j, loss_)

        # test the model
        n_batches = int(MNIST.test.num_examples/batch_size)
        total_correct_preds = 0
        for i in range(n_batches):
            X_batch, Y_batch = MNIST.test.next_batch(batch_size)
            preds = sess.run(prediction, feed_dict={X: X_batch, Y: Y_batch})
            correct_preds = tf.equal(tf.argmax(preds, 1), tf.argmax(Y_batch, 1))
            accuracy = tf.reduce_sum(tf.cast(correct_preds, tf.float32)) 

            total_correct_preds += sess.run(accuracy)

        print "Accuracy {0}".format(total_correct_preds/MNIST.test.num_examples)

代码讲解

add_layer 函数

允许用户指定上一层的输出节点的个数作为input_size, 本层的节点个数作为output_size, 并指定激活函数activation_function 可以看到我们调用的时候位神经网络添加了隐藏层1输出层

示例代码:/home/ubuntu/shallow_neural_networks.py
    l1 = add_layer(X, 784, 1000, activation_function=tf.nn.relu) # 添加隐藏层1
    prediction = add_layer(l1, 1000, 10, activation_function=None) # 添加输出层

    entropy = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=Y, logits=prediction)
    loss = tf.reduce_mean(entropy)

执行代码

python shallow_neural_networks.py

运行过程中,如果出现网络错误,请重试。

运行输出:

Loss of epochs[0] batch[0]: 219.555664062
Loss of epochs[1] batch[0]: 4.43757390976
Loss of epochs[2] batch[0]: 6.34549808502
Loss of epochs[3] batch[0]: 4.51894617081
Loss of epochs[4] batch[0]: 1.93666791916
Loss of epochs[5] batch[0]: 1.16164898872
Loss of epochs[6] batch[0]: 2.4195971489
Loss of epochs[7] batch[0]: 0.164100989699
Loss of epochs[8] batch[0]: 2.35461592674
Loss of epochs[9] batch[0]: 1.77732157707
Accuracy 0.9434

可以看到经过10轮的训练,准确度大约在94%左右

完成实验

任务时间:1min

实验内容已完成

您可进行更多关于机器学习教程:

关于 TensorFlow 的更多资料可参考 TensorFlow 官网 

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