【深度学习】Softmax实现手写数字识别

实训1:Softmax实现手写数字识别

相关知识点: numpy科学计算包,如向量化操作,广播机制等

1 任务目标

1.1 简介

本次案例中,你需要用python实现Softmax回归方法,用于MNIST手写数字数据集分类任务。你需要完成前向计算loss和参数更新。

你需要首先实现Softmax函数和交叉熵损失函数的计算。
y = s o f t m a x ( W T x + b ) L = C r o s s E n t r o p y ( y , l a b e l ) y=softmax(W^Tx+b)\\ L=CrossEntropy(y,label) y=softmax(WTx+b)L=CrossEntropy(y,label)

在更新参数的过程中,你需要实现参数梯度的计算,并按照随机梯度下降法来更新参数。
∂ L ∂ W , ∂ L ∂ b \frac{\partial L}{\partial W},\frac{\partial L}{\partial b} ∂W∂L,∂b∂L

具体计算方法可自行推导,或参照第三章课件。

1.2 MNIST数据集

​ MNIST手写数字数据集是机器学习领域中广泛使用的图像分类数据集。它包含60,000个训练样本和10,000个测试样本。这些数字已进行尺寸规格化,并在固定尺寸的图像中居中。每个样本都是一个784×1的矩阵,是从原始的28×28灰度图像转换而来的。MNIST中的数字范围是0到9。下面显示了一些示例。 注意:在训练期间,切勿以任何形式使用有关测试样本的信息。

1.3 任务要求

  1. 代码清单

    • a) data/ 文件夹:存放MNIST数据集。你需要下载数据,解压后存放于该文件夹下。下载链接见文末,解压后的数据为 *ubyte 形式;
    • b) solver.py 这个文件中实现了训练和测试的流程。建议从这个文件开始阅读代码;
    • c) dataloader.py 实现了数据加载器,可用于准备数据以进行训练和测试;
    • d) visualize.py 实现了plot_loss_and_acc函数,该函数可用于绘制损失和准确率曲线;
    • e) optimizer.py 你需要实现带momentum的SGD优化器,可用于执行参数更新;
    • f) loss.py 你需要实现softmax_cross_entropy_loss,包含loss的计算和梯度计算;
    • g) runner.ipynb 完成所有代码后的执行文件,执行训练和测试过程。
  2. 要求

    我们提供了完整的代码框架,你只需要完成optimizer.pyloss.py 中的 #TODO 部分。你需要提交整个代码文件和带有结果的runner.ipynb (不要提交数据集) 并且附一个pdf格式报告,内容包括:

    • a) 记录训练和测试的准确率。画出训练损失和准确率曲线;

    • b) 比较使用和不使用momentum结果的不同,可以从训练时间,收敛性和准确率等方面讨论差异;

    • c) 调整其他超参数,如学习率,Batchsize等,观察这些超参数如何影响分类性能。写下观察结果并将这些新结果记录在报告中。

1.4 注意事项

  1. 注意代码的执行效率,尽量不要使用for循环;
  2. 不要在pdf报告中粘贴很多代码(只能包含关键代码),对添加的代码作出解释;
  3. 不要使用任何深度学习框架,如TensorFlow,Pytorch等;
  4. 禁止抄袭。

1.5 参考

  1. 数据集下载:http://yann.lecun.com/exdb/mnist/index.html

2 代码设计

2.1 Solver.py

这段代码实现了一个Solver类,用于实现基于Softmax模型的训练和评估,主要包括以下几个部分:

  1. 模型(SoftmaxCrossEntropyLoss):
    • __init__ 方法中,构建了一个简单的 softmax 回归模型,用于图像分类任务。
    • 通过cfg字典写入模型的配置信息。
    • 包含了权重参数 W 和偏差参数 b,通过 forward 方法实现了前向传播,计算损失和准确率。
    • 通过 gradient_computing 方法计算了权重参数 W 和偏差参数 b 的梯度。
  2. 数据加载器(Dataloader):
    • 使用 build_loader 方法构建了训练、验证和测试的数据加载器。
    • 数据加载器通过 build_dataloader 函数从数据集中加载数据,并提供按批次获取数据的功能。
  3. 优化器(SGD):
    • 使用 build_optimizer 方法构建了随机梯度下降(SGD)优化器。
    • 优化器通过 step 方法实现了一次权重的更新,使用了动量(momentum)来平滑参数更新。
  4. 训练循环(train):
    • 使用 train 方法进行模型训练,包含了多个 epoch 的训练循环。
    • 在每个 epoch 中,通过遍历训练集的迭代器,进行前向传播、梯度计算和权重更新。
    • 打印每个 iteration 的训练损失和准确率,并在每个 epoch 结束后打印平均训练损失和准确率。
    • 在每个 epoch 结束后,使用 validate 方法计算验证集上的损失和准确率。
  5. 验证循环(validate):
    • 使用 validate 方法在验证集上进行验证,计算平均损失和准确率。
  6. 测试循环(test):
    • 使用 test 方法在测试集上进行测试,计算平均损失和准确率。

​ 这个框架提供了一个基本的训练流程,可以用于训练和评估一个简单的 softmax 回归模型。在训练过程中,使用了随机梯度下降优化器,动量用于加速参数更新。在每个 epoch 结束后,打印训练集和验证集上的平均损失和准确率。

2.2 loss.py

这段代码实现了SoftmaxCrossEntropyLoss 类,用于计算多类别分类问题中的 softmax 交叉熵损失。

  1. 初始化函数 __init__

    • num_input:每个输入样本的大小。
    • num_output:每个输出样本的大小,即类别的数量。
    • trainable:标志是否可以训练,如果设置为 True,则表示该层的权重可以通过梯度下降等优化算法进行更新。
  2. 前向传播函数 forward

    • 接收输入矩阵 Input 和标签 labels

    • 计算线性变换 z = Input ⋅ W + b z = \text{Input} \cdot \text{W} + \text{b} z=Input⋅W+b。

      代码如下

      python 复制代码
      # 计算输出矩阵
      z = np.dot(Input, self.W) + self.b
    • 计算 Softmax 激活函数,得到概率分布 softmax_probs

      Softmax函数的定义是
      a i = e x i ∑ k = 1 n e x k a_i = \frac{e^{x_i}}{\sum_{k=1}^n e^{x_k}} ai=∑k=1nexkexi

      其中, a i a_i ai是第i个类别的预测概率, x i x_i xi是第i个类别的网络输出,n是类别的总数。Softmax函数的特点是:

      • 它可以将任意的输入映射到(0,1)区间,表示概率。
      • 它的输出的和为1,表示概率分布。
      • 它是单调递增的,即输入越大,输出越大。
      • 它是可微的,即可以求导数。

      代码如下

      python 复制代码
      # 计算 softmax
      softmax_probs = np.exp(z) / np.sum(np.exp(z), axis=1, keepdims=True)
    • 计算交叉熵损失 loss,度量模型预测与实际标签之间的差异。

      交叉熵损失函数的定义是
      L = − ∑ i = 1 n y i log ⁡ a i L = -\sum_{i=1}^n y_i \log a_i L=−i=1∑nyilogai

      其中, y i y_i yi是第i个类别的真实标签, a i a_i ai是第i个类别的预测概率,n是类别的总数。交叉熵损失函数的特点是:

      • 它是非负的,即损失值总是大于等于0。
      • 它是凸的,即存在一个全局最小值。
      • 它是可微的,即可以求导数。
      • 它的最小值为0,当且仅当真实标签和预测概率完全相同。

      代码如下

      python 复制代码
      # 计算交叉熵损失
      batch_size = Input.shape[0]
      loss = -np.sum(np.log(softmax_probs[np.arange(batch_size), labels] + EPS)) / batch_size
    • 计算预测准确度 acc

      代码如下

      python 复制代码
      # 计算准确度
      predicted_labels = np.argmax(softmax_probs, axis=1)
      acc = np.mean(predicted_labels == labels)
  3. 梯度计算函数 gradient_computing

    • 接收输入矩阵 Input 和标签 labels

    • 计算线性变换 z = Input ⋅ W + b z = \text{Input} \cdot \text{W} + \text{b} z=Input⋅W+b 和 Softmax 激活函数,得到概率分布 softmax_probs

      代码如下

      python 复制代码
      # 计算输出矩阵
      z = np.dot(Input, self.W) + self.b
    • 计算 Softmax 交叉熵损失对模型输出的梯度 softmax_grad
      a i = e x i ∑ k = 1 n e x k a_i = \frac{e^{x_i}}{\sum_{k=1}^n e^{x_k}} ai=∑k=1nexkexi
      代码如下

      python 复制代码
      # 计算 softmax
      softmax_probs = np.exp(z) / np.sum(np.exp(z), axis=1, keepdims=True)
    • 计算权重 W 和偏置 b 的梯度。

      要计算Softmax分类的梯度,我们需要求出损失函数对网络输出的偏导数,即 ∂ L ∂ x i \frac{\partial L}{\partial x_i} ∂xi∂L。根据链式法则,我们有:
      ∂ L ∂ x i = ∂ L ∂ a i ∂ a i ∂ x i \frac{\partial L}{\partial x_i} = \frac{\partial L}{\partial a_i} \frac{\partial a_i}{\partial x_i} ∂xi∂L=∂ai∂L∂xi∂ai

      其中, ∂ L ∂ a i \frac{\partial L}{\partial a_i} ∂ai∂L是损失函数对预测概率的偏导数, ∂ a i ∂ x i \frac{\partial a_i}{\partial x_i} ∂xi∂ai是预测概率对网络输出的偏导数。我们分别求解这两项。

      首先, ∂ L ∂ a i \frac{\partial L}{\partial a_i} ∂ai∂L的计算比较简单,根据交叉熵损失函数的定义,我们有:
      ∂ L ∂ a i = − y i a i \frac{\partial L}{\partial a_i} = -\frac{y_i}{a_i} ∂ai∂L=−aiyi

      其次, ∂ a i ∂ x i \frac{\partial a_i}{\partial x_i} ∂xi∂ai的计算需要用到Softmax函数的性质,根据Softmax函数的定义,我们有:
      ∂ a i ∂ x i = e x i ∑ k = 1 n e x k − e x i e x i ( ∑ k = 1 n e x k ) 2 = a i − a i 2 = a i ( 1 − a i ) \frac{\partial a_i}{\partial x_i} = \frac{e^{x_i} \sum_{k=1}^n e^{x_k} - e^{x_i} e^{x_i}}{(\sum_{k=1}^n e^{x_k})^2} = a_i - a_i^2 = a_i (1 - a_i) ∂xi∂ai=(∑k=1nexk)2exi∑k=1nexk−exiexi=ai−ai2=ai(1−ai)

      其中,我们用到了分子的求导法则和分母的求导法则,以及指数函数的求导法则。注意,这里的偏导数是对角线元素,即当i=j时的情况。如果 i ≠ j i \neq j i=j,则有:
      ∂ a i ∂ x j = − e x i e x j ( ∑ k = 1 n e x k ) 2 = − a i a j \frac{\partial a_i}{\partial x_j} = \frac{- e^{x_i} e^{x_j}}{(\sum_{k=1}^n e^{x_k})^2} = - a_i a_j ∂xj∂ai=(∑k=1nexk)2−exiexj=−aiaj

      综上,我们可以得到Softmax分类的梯度的表达式:
      ∂ L ∂ x i = ∂ L ∂ a i ∂ a i ∂ x i = − y i a i a i ( 1 − a i ) = a i − y i \frac{\partial L}{\partial x_i} = \frac{\partial L}{\partial a_i} \frac{\partial a_i}{\partial x_i} = -\frac{y_i}{a_i} a_i (1 - a_i) = a_i - y_i ∂xi∂L=∂ai∂L∂xi∂ai=−aiyiai(1−ai)=ai−yi

      这个结果非常简洁,它表示网络输出和真实标签之间的差值。如果我们用向量的形式表示,我们可以写成:
      ∇ x L = a − y \nabla_x L = a - y ∇xL=a−y

      其中, a a a是预测概率向量, y y y是真实标签向量, ∇ x L \nabla_x L ∇xL是损失函数对网络输出的梯度向量。这个向量可以用来更新网络的参数,使得损失函数的值降低,预测概率更接近真实标签。

      代码如下

      python 复制代码
      # 计算梯度 Δ=a-y(a:预测向量,y:one-hot标签向量)
      softmax_grad = softmax_probs.copy()
      softmax_grad[np.arange(Input.shape[0]), labels] -= 1
      softmax_grad /= Input.shape[0]
      
      # W 和 b 的梯度
      self.grad_W = np.dot(Input.T, softmax_grad)
      self.grad_b = np.sum(softmax_grad, axis=0, keepdims=True)
  4. Xavier 权重初始化函数 XavierInit

    • 使用 Xavier 初始化方法来初始化权重 W 和偏置 b

​ 这个类的核心是 Softmax 交叉熵损失的计算,以及对应的梯度计算,这在深度学习的训练过程中是非常常见的。

2.3 optimizer.py

这段代码实现了SGD 的类,该类是随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent,SGD)优化器的实现。

  1. 初始化函数 __init__

    • model:待优化的模型对象。
    • learning_rate:学习率,控制权重更新的步长。
    • momentum:动量参数,控制之前梯度的权重。默认为 0.0。
  2. step 方法:

    • 执行一步更新,更新模型的权重。

    • 使用动量的权重更新方法。

    • 对于每个可训练的层,执行以下操作:

      • 如果该层还没有 diff_Wdiff_b 属性,就将它们初始化为0。

        代码如下

        python 复制代码
        if not hasattr(layer, 'diff_W'):
        	layer.diff_W = 0.0
        if not hasattr(layer, 'diff_b'):
        	layer.diff_b = 0.0
      • 更新动量 diff_Wdiff_b

        带动量的随机梯度下降的参数更新公式如下:
        v t = β v t − 1 − α ∇ J ( θ t ) θ t + 1 = θ t + v t v_t = \beta v_{t-1} -\alpha\nabla J(\theta_t) \\ \theta_{t+1} =\theta_t + v_t vt=βvt−1−α∇J(θt)θt+1=θt+vt

        其中, θ t \theta_t θt 是第 t 次迭代的参数, ∇ J ( θ t ) \nabla J(\theta_t) ∇J(θt) 是第 t 次迭代的梯度, α \alpha α 是学习率, v t v_t vt 是第 t t t 次迭代的动量项。

        不带动量的随机梯度下降的参数更新公式如下:
        θ t + 1 = θ t − α ∇ J ( θ t ) \theta_{t+1} = \theta_t - \alpha\nabla J(\theta_t) θt+1=θt−α∇J(θt)

        可以看出,不带动量的随机梯度下降只考虑当前的梯度,而不考虑之前的梯度,因此更新的方向可能会更加随机和不稳定。

        代码如下

        python 复制代码
        # 使用动量更新权重 v=av'- ϵΔ(a:动量参数,ϵ:学习率)
        layer.diff_W = self.momentum * layer.diff_W - self.learning_rate * layer.grad_W
        layer.diff_b = self.momentum * layer.diff_b - self.learning_rate * layer.grad_b
      • 更新权重 W 和偏置 b

        代码如下

        python 复制代码
        # 更新权重 θ=θ+v
        layer.W += layer.diff_W
        layer.b += layer.diff_b

这个类的主要作用是根据梯度和学习率来更新模型的权重,其中引入了动量来平滑更新过程,提高收敛性。

2.4 dataloader.py

以上代码定义了一个用于处理数据集的类 Dataset,以及用于数据迭代的类 IterationBatchSamplerDataloader

2.4.1 Dataset
  1. 初始化函数 __init__
    • data_root:数据集根目录。
    • mode:模式,可以是 'train'、'val' 或 'test'。
    • num_classes:类别数量,默认为 10。
  2. __len__ 方法:
    • 返回数据集中样本的数量。
  3. __getitem__ 方法:
    • 根据给定的索引 idx 返回对应的图像和标签。
    • 将图像归一化到 [0, 1] 的范围,并减去均值。
2.4.2 IterationBatchSampler
  1. 初始化函数 __init__
    • dataset:数据集对象。
    • max_epoch:最大的迭代次数。
    • batch_size:每个批次的样本数,默认为 2。
    • shuffle:是否在每个迭代前随机打乱数据。
  2. prepare_epoch_indices 方法:
    • 准备每个迭代的索引。
    • 如果 shuffle 为真,将对索引进行随机打乱。
    • 将索引划分成多个批次,存储在 batch_indices 中。
  3. __iter__ 方法:
    • 返回一个迭代器,用于迭代每个批次的索引。
  4. __len__ 方法:
    • 返回迭代器的长度,即迭代的批次数。
2.4.3 Dataloader
  1. 初始化函数 __init__
    • dataset:数据集对象。
    • sampler:批次采样器对象。
  2. __iter__ 方法:
    • 根据批次索引生成每个批次的图像和标签。
    • 使用 Dataset 中的 __getitem__ 方法获取图像和标签。
  3. __len__ 方法:
    • 返回批次采样器的长度,即迭代的批次数。
2.4.4 build_dataloader 函数
  1. 参数:
    • data_root:数据集根目录。
    • max_epoch:最大的迭代次数。
    • batch_size:每个批次的样本数。
    • shuffle:是否在每个迭代前随机打乱数据,默认为 False
    • mode:模式,可以是 'train'、'val' 或 'test'。
  2. 返回值:
    • 返回一个 Dataloader 对象,用于加载数据集。

这些类和函数的组合构建了一个数据处理流程,方便在训练和测试过程中加载、迭代和处理数据。

2.5 visualize.py

​ 本代码定义了一个用于可视化损失和准确度曲线的函数 plot_loss_and_acc

  1. 参数:
    • loss_and_acc_dict:一个字典,包含不同模型或设置下的损失和准确度列表。
  2. 可视化损失曲线:
    • 创建一个新的图形。
    • 初始化 min_lossmax_loss 为 100.0 和 0.0。
    • 遍历 loss_and_acc_dict 中的每个键值对,其中键是模型或设置的名称,值是包含损失和准确度列表的元组。
    • 对于每个模型或设置,更新 min_lossmax_loss,找到该模型或设置下的最小和最大损失值。
    • 获取当前模型或设置的迭代次数 num_epoch
    • 使用方块 ('-s') 绘制损失曲线,并以模型或设置的名称作为标签。
    • 设置损失曲线的 x 轴标签为 'Epoch',y 轴标签为 'Loss'。
    • 显示图例,设置 x 轴刻度为每两个迭代显示一次,并设置坐标轴范围。
    • 显示损失曲线图。
  3. 可视化准确度曲线:
    • 创建一个新的图形。
    • 初始化 min_accmax_acc 为 1.0 和 0.0。
    • 遍历 loss_and_acc_dict 中的每个键值对,其中键是模型或设置的名称,值是包含损失和准确度列表的元组。
    • 对于每个模型或设置,更新 min_accmax_acc,找到该模型或设置下的最小和最大准确度值。
    • 获取当前模型或设置的迭代次数 num_epoch
    • 使用方块 ('-s') 绘制准确度曲线,并以模型或设置的名称作为标签。
    • 设置准确度曲线的 x 轴标签为 'Epoch',y 轴标签为 'Accuracy'。
    • 显示图例,设置 x 轴刻度为每两个迭代显示一次,并设置坐标轴范围。
    • 显示准确度曲线图。

通过这个函数,可以方便地比较不同模型或设置在训练过程中的损失和准确度趋势,从而更好地了解模型的性能。

3 实验运行

​ 本次试验对比了使用与不使用momentum动量的梯度下降算法,对基于Softmax的手写数字识别的结果。

3.1 无动量的梯度下降
  1. 模型训练

    该代码用给定的配置 cfg 创建一个 Solver 类的实例 runner,并通过 runner.train() 进行模型的训练。

    • 'data_root': 数据集的根目录路径。
    • 'max_epoch': 训练的最大轮次数。
    • 'batch_size': 每个小批次的样本数。
    • 'learning_rate': 学习率,控制权重更新的步长。
    • 'momentum': 动量参数,此处设置为 0,表示不使用动量。
    • 'display_freq': 控制每隔多少个迭代显示一次训练信息。

    代码如下:

    python 复制代码
    # train without momentum
    cfg = {
        'data_root': 'data',
        'max_epoch': 10,
        'batch_size': 100,
        'learning_rate': 0.01,
        'momentum': 0,
        'display_freq': 50,
    }
    
    runner = Solver(cfg)
    loss1, acc1 = runner.train()

    结果如下

    python 复制代码
    Epoch [0][10]	 Batch [0][550]	 Training Loss 2.5201	 Accuracy 0.0800
    Epoch [0][10]	 Batch [50][550]	 Training Loss 1.8997	 Accuracy 0.4800
    Epoch [0][10]	 Batch [100][550]	 Training Loss 1.6516	 Accuracy 0.5600
    Epoch [0][10]	 Batch [150][550]	 Training Loss 1.3129	 Accuracy 0.6800
    Epoch [0][10]	 Batch [200][550]	 Training Loss 1.3129	 Accuracy 0.7000
    Epoch [0][10]	 Batch [250][550]	 Training Loss 1.1217	 Accuracy 0.7600
    Epoch [0][10]	 Batch [300][550]	 Training Loss 0.9862	 Accuracy 0.7600
    Epoch [0][10]	 Batch [350][550]	 Training Loss 1.0584	 Accuracy 0.7900
    Epoch [0][10]	 Batch [400][550]	 Training Loss 0.8796	 Accuracy 0.8200
    Epoch [0][10]	 Batch [450][550]	 Training Loss 0.8113	 Accuracy 0.8500
    Epoch [0][10]	 Batch [500][550]	 Training Loss 0.8511	 Accuracy 0.7800
    
    Epoch [0]	 Average training loss 1.2378	 Average training accuracy 0.6812
    Epoch [0]	 Average validation loss 0.7118	 Average validation accuracy 0.8656
    ...
    Epoch [9]	 Average training loss 0.4040	 Average training accuracy 0.8901
    Epoch [9]	 Average validation loss 0.3151	 Average validation accuracy 0.9200
  2. 性能测试

    该代码用于测试经过训练后的模型在测试集上的性能。

    • 调用 runner.test() 方法,该方法会使用测试集上的样本进行模型的测试,并返回测试损失和测试准确度。
    • 打印输出测试结果。

    代码如下

    python 复制代码
    test_loss, test_acc = runner.test()
    print('Final test accuracy {:.4f}\n'.format(test_acc))

    结果如下

    python 复制代码
    Final test accuracy 0.9017
3.2 带动量的梯度下降
  1. 模型训练

    该代码用给定的配置 cfg 创建一个 Solver 类的实例 runner,并通过 runner.train() 进行模型的训练。

    • 'data_root': 数据集的根目录路径。
    • 'max_epoch': 训练的最大轮次数。
    • 'batch_size': 每个小批次的样本数。
    • 'learning_rate': 学习率,控制权重更新的步长。
    • 'momentum': 动量参数,此处设置为 0.9。
    • 'display_freq': 控制每隔多少个迭代显示一次训练信息。

    代码如下:

    python 复制代码
    # train with momentum
    cfg = {
        'data_root': 'data',
        'max_epoch': 10,
        'batch_size': 100,
        'learning_rate': 0.01,
        'momentum': 0.9,
        'display_freq': 50,
    }
    
    runner = Solver(cfg)
    loss2, acc2 = runner.train()

    结果如下

    python 复制代码
    Epoch [0][10]	 Batch [0][550]	 Training Loss 2.5536	 Accuracy 0.0500
    Epoch [0][10]	 Batch [50][550]	 Training Loss 0.8920	 Accuracy 0.7500
    Epoch [0][10]	 Batch [100][550]	 Training Loss 0.5691	 Accuracy 0.8700
    Epoch [0][10]	 Batch [150][550]	 Training Loss 0.5367	 Accuracy 0.8600
    Epoch [0][10]	 Batch [200][550]	 Training Loss 0.5084	 Accuracy 0.8900
    Epoch [0][10]	 Batch [250][550]	 Training Loss 0.3843	 Accuracy 0.9000
    Epoch [0][10]	 Batch [300][550]	 Training Loss 0.5654	 Accuracy 0.8800
    Epoch [0][10]	 Batch [350][550]	 Training Loss 0.3942	 Accuracy 0.9100
    Epoch [0][10]	 Batch [400][550]	 Training Loss 0.4692	 Accuracy 0.9100
    Epoch [0][10]	 Batch [450][550]	 Training Loss 0.3678	 Accuracy 0.8800
    Epoch [0][10]	 Batch [500][550]	 Training Loss 0.3902	 Accuracy 0.9300
    
    Epoch [0]	 Average training loss 0.5806	 Average training accuracy 0.8430
    Epoch [0]	 Average validation loss 0.3173	 Average validation accuracy 0.9158
    ...
    Epoch [9]	 Average training loss 0.2929	 Average training accuracy 0.9177
    Epoch [9]	 Average validation loss 0.2341	 Average validation accuracy 0.9346
  2. 性能测试

    该代码用于测试经过训练后的模型在测试集上的性能。

    • 调用 runner.test() 方法,该方法会使用测试集上的样本进行模型的测试,并返回测试损失和测试准确度。
    • 打印输出测试结果。

    代码如下

    python 复制代码
    test_loss, test_acc = runner.test()
    print('Final test accuracy {:.4f}\n'.format(test_acc))

    结果如下

    python 复制代码
    Final test accuracy 0.9220

    带动量的梯度下降算法的结果优于不带动量的梯度下降算法。

3.3 可视化图像

该代码使用自定义的 plot_loss_and_acc 函数,将训练过程中的损失和准确度可视化。

代码如下

python 复制代码
plot_loss_and_acc({
    "momentum=0": [loss1, acc1],
    "momentum=0.9": [loss2, acc2]
})
  1. 损失曲线

  2. 精确度曲线

4 总结

​ 通过本次实验设计,更加深入的理解了回归分类算法,包括 softmax 激活函数、交叉熵损失函数、梯度下降算法等。并对深度学习的代码架构有了初步了解,知道了带动量的梯度下降算法的结果,相比于不带动量的梯度下降算法,可以在最初的训练就达到较好的准确率,和较低的loss值,并更快的收敛,收敛的精确度更高,损失也更小。

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