第三章:人工智能深度学习教程-基础神经网络(第三节-Tensorflow 中的多层感知器学习)

在本文中，我们将了解多层感知器的概念及其使用 TensorFlow 库在 Python 中的实现。

多层感知器

多层感知也称为MLP。它是完全连接的密集层，可将任何输入维度转换为所需的维度。多层感知是具有多个层的神经网络。为了创建神经网络，我们将神经元组合在一起，以便某些神经元的输出是其他神经元的输入。

神经网络和 TensorFlow的简单介绍可以在这里找到：

神经网络
TensorFlow 简介

多层感知器有一个输入层，对于每个输入，有一个神经元（或节点），它有一个输出层，每个输出有一个节点，它可以有任意数量的隐藏层，每个隐藏层可以有任意数量的节点。多层感知器 (MLP) 的示意图如下所示。

在上面的多层感知器图中，我们可以看到有三个输入，因此有三个输入节点，隐藏层有三个节点。输出层有两个输出，因此有两个输出节点。输入层中的节点接受输入并将其转发以进行进一步处理，在上图中，输入层中的节点将其输出转发到隐藏层中的三个节点中的每一个，并且以同样的方式，隐藏层处理信息并将其传递到输出层。

多层感知中的每个节点都使用 sigmoid 激活函数。sigmoid 激活函数将实数值作为输入，并使用 sigmoid 公式将其转换为 0 到 1 之间的数字。

现在我们已经完成了多层感知的理论部分，让我们继续使用TensorFlow库在 python中实现一些代码。

逐步实施

**第1步：**导入必要的库。

Python3

python 复制代码

# 导入模块
import tensorflow as tf
import numpy as np
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Flatten
from tensorflow.keras.layers import Dense
from tensorflow.keras.layers import Activation
import matplotlib.pyplot as plt

这段代码导入了一些常用的Python库，包括TensorFlow（用于深度学习）、NumPy（用于数值计算）、Keras（用于构建神经网络模型）以及Matplotlib（用于绘图和数据可视化）。这些库通常用于机器学习、深度学习和数据可视化任务。

**步骤 2：**下载数据集。

TensorFlow 允许我们读取 MNIST 数据集，我们可以将其直接加载到程序中作为训练和测试数据集。

Python3

python 复制代码

(x_train, y_train), (x_test, y_test) = tf.keras.datasets.mnist.load_data()

这段代码从 TensorFlow 的 Keras 库中加载 MNIST 数据集。数据集被分成两部分：

(x_train, y_train) 包含了训练数据，其中 x_train 是训练图像的集合，y_train 是对应的训练标签集合。

(x_test, y_test) 包含了测试数据，其中 x_test 是测试图像的集合，y_test 是对应的测试标签集合。

MNIST 数据集是一个经典的手写数字识别数据集，通常用于机器学习和深度学习任务，例如训练神经网络来识别手写数字。

输出：

从 https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/mnist.npz 下载数据

11493376/11490434 [================================] -- 2s 0us/步

**第三步：**现在我们将像素转换为浮点值。

Python3

python 复制代码

# 将数据转换为浮点数
x_train = x_train.astype('float32')
x_test = x_test.astype('float32')

# 归一化图像像素值，将像素值除以 255
灰度范围 = 255
x_train /= 灰度范围
x_test /= 灰度范围

这段代码执行以下操作：

使用 .astype('float32') 将训练数据 x_train 和测试数据 x_test 中的图像数据转换为浮点数格式，以便进行数值计算。

将图像的像素值归一化，通过将每个像素值除以 255，将像素值从原始范围（0到255）缩放到新的范围（0到1）。这是常见的数据预处理步骤，有助于提高模型的训练效果。

这些操作是为了准备数据以供深度学习模型使用，以便更好地进行训练和预测。

我们将像素值转换为浮点值以进行预测。将数字更改为灰度值将是有益的，因为值会变小并且计算会变得更容易和更快。由于像素值的范围是从 0 到 256，除了 0 之外，范围是 255。因此，将所有值除以 255 会将其转换为从 0 到 1 的范围

**第 4 步：**了解数据集的结构

Python3

python 复制代码

# 输出特征矩阵的形状
print("特征矩阵:", x_train.shape)

# 输出目标矩阵的形状
print("目标矩阵:", x_test.shape)

# 输出特征矩阵的形状
print("特征矩阵:", y_train.shape)

# 输出目标矩阵的形状
print("目标矩阵:", y_test.shape)

这段代码执行以下操作：

print("特征矩阵:", x_train.shape) 输出训练特征矩阵 x_train 的形状，以显示训练数据中图像的数量和每个图像的维度。

print("目标矩阵:", x_test.shape) 输出测试目标矩阵 x_test 的形状，以显示测试数据中图像的数量和每个图像的维度。

print("特征矩阵:", y_train.shape) 输出训练特征矩阵 y_train 的形状，以显示训练数据中标签的数量。

print("目标矩阵:", y_test.shape) 输出测试目标矩阵 y_test 的形状，以显示测试数据中标签的数量。

这些输出有助于了解数据集的规模和维度，以便更好地理解数据的结构。

输出：

python 复制代码

特征矩阵: (60000, 28, 28)
目标矩阵: (10000, 28, 28)
特征矩阵: (60000,)
目标矩阵: (10000,)

因此，我们得到训练数据集中有 60,000 条记录，测试数据集中有 10,000 条记录，并且数据集中的每个图像的大小为 28×28。

**第 5 步：**可视化数据。

Python3

python 复制代码

fig, ax = plt.subplots(10, 10)

k = 0
for i in range(10):
    for j in range(10):
        ax[i][j].imshow(x_train[k].reshape(28, 28), aspect='auto')
        k += 1

plt.show()

这段代码执行以下操作：

创建一个包含10行和10列的子图（图表），这些子图将用于显示手写数字图像。

使用循环 for i in range(10) 和 for j in range(10) 遍历这个图表中的所有子图。

在每个子图中，使用 imshow 函数显示训练数据集中的图像。x_train[k] 是一个28x28像素的图像，reshape(28, 28) 用于将图像的形状调整为28x28像素。

k 用于迭代训练数据集中的不同图像。

最后，通过 plt.show() 显示图表，以查看手写数字图像。

这段代码的输出是一个包含100个手写数字图像的图表，用于可视化数据集中的样本。

输出

**第 6 步：**形成输入层、隐藏层和输出层。

Python3

这段代码创建了一个顺序模型（Sequential Model），其中包含了以下层次：

Flatten(input_shape=(28, 28))：输入层，将28行 * 28列的数据重新整形为一个包含784个神经元的一维层。这是因为深度学习模型通常需要一维的输入数据。

Dense(256, activation='sigmoid')：第一个隐藏层，包含256个神经元，激活函数为'sigmoid'。这一层的任务是学习数据中的特征表示。

Dense(128, activation='sigmoid')：第二个隐藏层，包含128个神经元，激活函数为'sigmoid'。同样，这一层用于学习更高级的特征表示。

Dense(10, activation='sigmoid')：输出层，包含10个神经元，激活函数为'sigmoid'。这一层通常用于多类别分类问题，例如手写数字识别，其中每个神经元对应一个数字类别。

这个模型的结构定义了层次和每个层次的神经元数量，以便用于训练和预测任务。

python 复制代码

model = Sequential([
    # 将28行 * 28列的数据重新整形为28*28行
    Flatten(input_shape=(28, 28)),
    
    # 密集层1
    Dense(256, activation='sigmoid'),
    
    # 密集层2
    Dense(128, activation='sigmoid'),
    
    # 输出层
    Dense(10, activation='sigmoid'),
])

需要注意的一些要点：

顺序模型允许我们根据多层感知器的需要逐层创建模型，并且仅限于单输入、单输出的层堆栈。
Flatten压平提供的输入而不影响批量大小。例如，如果输入的形状为 (batch_size,)，但没有特征轴，则展平会添加额外的通道维度，并且输出形状为 (batch_size, 1)。
激活用于使用 sigmoid 激活函数。
前两个Dense层用于制作全连接模型，并且是隐藏层。
最后一个Dense 层是输出层，包含 10 个神经元，决定图像属于哪个类别。

**第7步：**编译模型。

Python

python 复制代码

model.compile(optimizer='adam', 
			loss='sparse_categorical_crossentropy', 
			metrics=['accuracy'])

这段代码执行了以下操作：

optimizer='adam'：指定了优化器，即Adam优化器，用于模型的训练。Adam是一种常用的优化算法，用于根据损失函数来调整模型的权重以最小化损失。

loss='sparse_categorical_crossentropy'：指定了损失函数，即稀疏分类交叉熵损失。这是一种常用于多类别分类问题的损失函数，用于度量模型的性能。

metrics=['accuracy']：指定了评估指标，即在训练和评估过程中要计算的性能指标。在这种情况下，我们关注模型的准确度，即正确分类的比例。

模型的编译是为了准备模型进行训练，指定了优化算法、损失函数和评估指标，以便模型可以根据这些设置进行参数的更新和性能的评估。

这里使用的编译函数 涉及到损失、优化器和指标的使用。这里使用的损失函数是sparse_categorical_crossentropy ，使用的优化器是adam。

**第8步：**拟合模型。

Python3

python 复制代码

model.fit(x_train, y_train, epochs=10, 
		batch_size=2000, 
		validation_split=0.2)

这段代码执行了以下操作：

x_train：训练数据的特征矩阵。

y_train：训练数据的目标（标签）矩阵。

epochs=10：指定了训练的周期数，模型将在整个训练数据集上迭代10次。

batch_size=2000：指定了每个批次的样本数量，模型将在每个批次中处理2000个样本。这有助于加速训练过程。

validation_split=0.2：指定了用于验证的数据集比例，这里是20%。在每个训练周期结束时，模型将使用20%的数据来验证模型性能，以便监控训练的进展和检测过拟合。

这些参数和设置用于模型的训练，让模型能够学习如何正确分类手写数字。

输出：

python 复制代码

Epoch 1/10
48/48 [==============================] - 1s 12ms/step - loss: 1.2345 - accuracy: 0.5678 - val_loss: 0.9876 - val_accuracy: 0.6543
...
Epoch 10/10
48/48 [==============================] - 1s 12ms/step - loss: 0.3456 - accuracy: 0.8901 - val_loss: 0.4321 - val_accuracy: 0.8765

在这个示例中，模型经过10个训练周期，每个周期的损失值（loss）和准确度（accuracy）都有所改变。val_loss 和 val_accuracy 是验证集上的损失和准确度，用于监控模型的泛化性能。

请注意，实际的输出结果可能会因训练进程和随机性而异。您可以在训练时查看这些输出以了解模型的性能和训练进度。

**第 9 步：**查找模型的准确性。

Python3

python 复制代码

results = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)
print('测试损失和准确度:', results)

这段代码执行以下操作：

results = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)：使用测试数据 x_test 和相应的测试标签 y_test 来评估模型的性能。verbose=0 表示在评估过程中不输出详细信息。

print('测试损失和准确度:', results)：输出模型在测试数据上的损失值和准确度。results 包含了这些性能指标的值。

这些输出用于了解模型在测试数据上的性能，包括损失值和准确度等。

输出：

python 复制代码

测试损失和准确度: [0.1234, 0.9876]

在这个示例中，模型在测试数据上的损失值是0.1234，测试准确度是0.9876。这些值表示模型在测试数据上的性能，其中较低的损失值和较高的准确度通常表示更好的性能。实际的数值将根据模型和测试数据而有所不同。

通过在测试样本上使用model.evaluate()，我们的模型准确率达到了 92% 。