本节以“波士顿房价”任务为例，向读者介绍使用Python语言和Numpy库来构建神经网络模型的思考过程和操作方法

波士顿房价预测任务

上一节我们初步认识了神经网络的基本概念（如神经元、多层连接、前向计算、计算图）和模型结构三要素（模型假设、评价函数和优化算法）。本节将以“波士顿房价”任务为例，向读者介绍使用Python语言和Numpy库来构建神经网络模型的思考过程和操作方法。

波士顿房价预测是一个经典的机器学习任务，类似于程序员世界的“Hello World”。和大家对房价的普遍认知相同，波士顿地区的房价是由诸多因素影响的。该数据集统计了13种可能影响房价的因素和该类型房屋的均价，期望构建一个基于13个因素进行房价预测的模型，如图1 所示。

图1：波士顿房价影响因素示意图

对于预测问题，可以根据预测输出的类型是连续的实数值，还是离散的标签，区分为回归任务和分类任务。因为房价是一个连续值，所以房价预测显然是一个回归任务。下面我们尝试用最简单的线性回归模型解决这个问题，并用神经网络来实现这个模型。

线性回归模型

假设房价和各影响因素之间能够用线性关系来描述：

y=∑j=1Mxjwj+by = {\sum_{j=1}^Mx_j w_j} + by=j=1∑Mxjwj+b

模型的求解即是通过数据拟合出每个wjw_jwj和bbb。其中，wjw_jwj和bbb分别表示该线性模型的权重和偏置。一维情况下，wjw_jwj 和 bbb 是直线的斜率和截距。

线性回归模型使用均方误差作为损失函数（Loss），用以衡量预测房价和真实房价的差异，公式如下：

MSE=1n∑i=1n(Yi^−Yi)2MSE = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n(\hat{Y_i} - {Y_i})^{2}MSE=n1i=1∑n(Yi^−Yi)2

思考：

为什么要以均方误差作为损失函数？即将模型在每个训练样本上的预测误差加和，来衡量整体样本的准确性。这是因为损失函数的设计不仅仅要考虑“合理性”，同样需要考虑“易解性”，这个问题在后面的内容中会详细阐述。

线性回归模型的神经网络结构

神经网络的标准结构中每个神经元由加权和与非线性变换构成，然后将多个神经元分层的摆放并连接形成神经网络。线性回归模型可以认为是神经网络模型的一种极简特例，是一个只有加权和、没有非线性变换的神经元（无需形成网络），如图2 所示。

图2：线性回归模型的神经网络结构

构建波士顿房价预测任务的神经网络模型

深度学习不仅实现了实现模型的端到端学习，还推动了人工智能进入工业大生产阶段，产生了标准化、自动化和模块化的通用框架。不同场景的深度学习模型具具备一定的通用性，五个步骤即可完成模型的构建和训练，如图3 所示。

图3：构建神经网络/深度学习模型的基本步骤

正是由于深度学习的建模和训练的过程存在通用性，在构建不同的模型时，只有模型三要素不同，其它步骤基本一致，深度学习框架才有用武之地。

数据处理

数据处理包含五个部分：数据导入、数据形状变换、数据集划分、数据归一化处理和封装load data函数。数据预处理后，才能被模型调用。

说明：

本教程中的代码都可以在AIStudio上直接运行，Print结果都是基于程序真实运行的结果。
由于是真实案例，代码之前存在依赖关系，因此需要读者逐条、全部运行，否则会导致Print时报错。

读入数据

通过如下代码读入数据，了解下波士顿房价的数据集结构，数据存放在本地目录下housing.data文件中。

In[2]

# 导入需要用到的package
import numpy as np
import json
# 读入训练数据
datafile = './work/housing.data'
data = np.fromfile(datafile, sep=' ')
data

array([6.320e-03, 1.800e+01, 2.310e+00, ..., 3.969e+02, 7.880e+00,1.190e+01])

数据形状变换

由于读入的原始数据是1维的，所有数据都连在一起。因此需要我们将数据的形状进行变换，形成一个2维的矩阵，每行为一个数据样本（14个值），每个数据样本包含13个X（影响房价的特征）和一个Y（该类型房屋的均价）。

In[3]

# 读入之后的数据被转化成1维array，其中array的第0-13项是第一条数据，第14-27项是第二条数据，以此类推....
# 这里对原始数据做reshape，变成N x 14的形式
feature_names = [ 'CRIM', 'ZN', 'INDUS', 'CHAS', 'NOX', 'RM', 'AGE','DIS', 'RAD', 'TAX', 'PTRATIO', 'B', 'LSTAT', 'MEDV' ]
feature_num = len(feature_names)
data = data.reshape([data.shape[0] // feature_num, feature_num])

In[4]

# 查看数据
x = data[0]
print(x.shape)
print(x)

(14,)
[6.320e-03 1.800e+01 2.310e+00 0.000e+00 5.380e-01 6.575e+00 6.520e+014.090e+00 1.000e+00 2.960e+02 1.530e+01 3.969e+02 4.980e+00 2.400e+01]

数据集划分

将数据集划分成训练集和测试集，其中训练集用于确定模型的参数，测试集用于评判模型的效果。为什么要对数据集进行拆分，而不能直接应用于模型训练呢？这与学生时代的授课和考试关系比较类似，如图4 所示。

图4：训练集和测试集拆分的意义

上学时总有一些自作聪明的同学，平时不认真学习，考试前临阵抱佛脚，将习题死记硬背下来，但是成绩往往并不好。因为学校期望学生掌握的是知识，而不仅仅是习题本身。另出新的考题，才能鼓励学生努力去掌握习题背后的原理。同样我们期望模型学习的是任务的本质规律，而不是训练数据本身，模型训练未使用的数据，才能更真实的评估模型的效果。

在本案例中，我们将80%的数据用作训练集，20%用作测试集，实现代码如下。通过打印训练集的形状，可以发现共有404个样本，每个样本含有13个特征和1个预测值。

In[6]

ratio = 0.8
offset = int(data.shape[0] * ratio)
training_data = data[:offset]
training_data.shape

(404, 14)

数据归一化处理

对每个特征进行归一化处理，使得每个特征的取值缩放到0~1之间。这样做有两个好处：一是模型训练更高效；二是特征前的权重大小可以代表该变量对预测结果的贡献度（因为每个特征值本身的范围相同）。

In[7]

# 计算train数据集的最大值，最小值，平均值
maximums, minimums, avgs = \training_data.max(axis=0), \training_data.min(axis=0), \training_data.sum(axis=0) / training_data.shape[0]
# 对数据进行归一化处理
for i in range(feature_num):#print(maximums[i], minimums[i], avgs[i])data[:, i] = (data[:, i] - avgs[i]) / (maximums[i] - minimums[i])

封装成load data函数

将上述几个数据处理操作封装成load data函数，以便下一步模型的调用，代码如下。

In[1]

def load_data():# 从文件导入数据datafile = './work/housing.data'data = np.fromfile(datafile, sep=' ')# 每条数据包括14项，其中前面13项是影响因素，第14项是相应的房屋价格中位数feature_names = [ 'CRIM', 'ZN', 'INDUS', 'CHAS', 'NOX', 'RM', 'AGE', \'DIS', 'RAD', 'TAX', 'PTRATIO', 'B', 'LSTAT', 'MEDV' ]feature_num = len(feature_names)# 将原始数据进行Reshape，变成[N, 14]这样的形状data = data.reshape([data.shape[0] // feature_num, feature_num])# 将原数据集拆分成训练集和测试集# 这里使用80%的数据做训练，20%的数据做测试# 测试集和训练集必须是没有交集的ratio = 0.8offset = int(data.shape[0] * ratio)training_data = data[:offset]# 计算train数据集的最大值，最小值，平均值maximums, minimums, avgs = training_data.max(axis=0), training_data.min(axis=0), \training_data.sum(axis=0) / training_data.shape[0]# 对数据进行归一化处理for i in range(feature_num):#print(maximums[i], minimums[i], avgs[i])data[:, i] = (data[:, i] - avgs[i]) / (maximums[i] - minimums[i])# 训练集和测试集的划分比例training_data = data[:offset]test_data = data[offset:]return training_data, test_data

In[9]

# 获取数据
training_data, test_data = load_data()
x = training_data[:, :-1]
y = training_data[:, -1:]

In[8]

# 查看数据
print(x[0])
print(y[0])

[-0.02146321  0.03767327 -0.28552309 -0.08663366  0.01289726  0.046348170.00795597 -0.00765794 -0.25172191 -0.11881188 -0.29002528  0.0519112-0.17590923]
[-0.00390539]

模型设计

模型设计是深度学习模型关键要素之一，也称为网络结构设计，相当于模型的假设空间，即实现模型“前向计算”（从输入到输出）的过程。

如果将输入特征和输出预测值均以向量表示，输入特征xxx有13个分量，yyy有1个分量，那么参数权重的形状（shape）是13×113\times113×1。假设我们以如下任意数字赋值参数做初始化：

w=[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,−0.1,−0.2,−0.3,−0.4,0.0]w=[0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, -0.1, -0.2, -0.3, -0.4, 0.0]w=[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,−0.1,−0.2,−0.3,−0.4,0.0]

In[10]

w = [0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, -0.1, -0.2, -0.3, -0.4, 0.0]
w = np.array(w).reshape([13, 1])

取出第1条样本数据，观察样本的特征向量与参数向量相乘的结果。

In[11]

x1=x[0]
t = np.dot(x1, w)
print(t)

[0.03395597]

完整的线性回归公式，还需要初始化偏移量bbb，同样随意赋初值-0.2。那么，线性回归模型的完整输出是z=t+bz=t+bz=t+b，这个从特征和参数计算输出值的过程称为“前向计算”。

In[12]

b = -0.2
z = t + b
print(z)

[-0.16604403]

将上述计算预测输出的过程以“类和对象”的方式来描述，类成员变量有参数www和bbb。通过写一个forward函数（代表“前向计算”）完成上述从特征和参数到输出预测值的计算过程，代码如下所示。

In[13]

class Network(object):def __init__(self, num_of_weights):# 随机产生w的初始值# 为了保持程序每次运行结果的一致性，# 此处设置固定的随机数种子np.random.seed(0)self.w = np.random.randn(num_of_weights, 1)self.b = 0.def forward(self, x):z = np.dot(x, self.w) + self.breturn z

基于Network类的定义，模型的计算过程如下所示。

In[14]

net = Network(13)
x1 = x[0]
y1 = y[0]
z = net.forward(x1)
print(z)

[-0.63182506]

训练配置

模型设计完成后，需要通过训练配置寻找模型的最优值，即通过损失函数来衡量模型的好坏。训练配置也是深度学习模型关键要素之一。

通过模型计算x1x_1x1表示的影响因素所对应的房价应该是zzz, 但实际数据告诉我们房价是yyy。这时我们需要有某种指标来衡量预测值zzz跟真实值yyy之间的差距。对于回归问题，最常采用的衡量方法是使用均方误差作为评价模型好坏的指标，具体定义如下：

Loss=(y−z)2Loss = (y - z)^2Loss=(y−z)2

上式中的LossLossLoss（简记为: LLL）通常也被称作损失函数，它是衡量模型好坏的指标。在回归问题中均方误差是一种比较常见的形式，分类问题中通常会采用交叉熵作为损失函数，在后续的章节中会更详细的介绍。对一个样本计算损失的代码实现如下：

In[14]

Loss = (y1 - z)*(y1 - z)
print(Loss)

[0.39428312]

因为计算损失时需要把每个样本的损失都考虑到，所以我们需要对单个样本的损失函数进行求和，并除以样本总数NNN。

L=1N∑i(yi−zi)2L= \frac{1}{N}\sum_i{(y_i - z_i)^2}L=N1i∑(yi−zi)2

在Network类下面添加损失函数的计算过程如下：

In[16]

class Network(object):def __init__(self, num_of_weights):# 随机产生w的初始值# 为了保持程序每次运行结果的一致性，此处设置固定的随机数种子np.random.seed(0)self.w = np.random.randn(num_of_weights, 1)self.b = 0.def forward(self, x):z = np.dot(x, self.w) + self.breturn zdef loss(self, z, y):error = z - ycost = error * errorcost = np.mean(cost)return cost

使用定义的Network类，可以方便的计算预测值和损失函数。需要注意的是，类中的变量xxx, www，bbb, zzz, errorerrorerror等均是向量。以变量xxx为例，共有两个维度，一个代表特征数量（值为13），一个代表样本数量，代码如下所示。

In[17]

net = Network(13)
# 此处可以一次性计算多个样本的预测值和损失函数
x1 = x[0:3]
y1 = y[0:3]
z = net.forward(x1)
print('predict: ', z)
loss = net.loss(z, y1)
print('loss:', loss)

predict:  [[-0.63182506][-0.55793096][-1.00062009]]
loss: 0.7229825055441156

训练过程

上述计算过程描述了如何构建神经网络，通过神经网络完成预测值和损失函数的计算。接下来介绍如何求解参数www和bbb的数值，这个过程也称为模型训练过程。训练过程是深度学习模型的关键要素之一，其目标是让定义的损失函数LossLossLoss尽可能的小，也就是说找到一个参数解www和bbb使得损失函数取得极小值。

我们先做一个小测试：如图5 所示，基于微积分知识，求一条曲线在某个点的斜率等于函数该点的导数值。那么大家思考下，当处于曲线的极值点时，该点的斜率是多少？

图5：曲线斜率等于导数值

这个问题并不难回答，处于曲线极值点时的斜率为0，即函数在极值点处的导数为0。那么，让损失函数取极小值的www和bbb应该是下述方程组的解：

∂L∂w=0\frac{\partial{L}}{\partial{w}}=0∂w∂L=0

∂L∂b=0\frac{\partial{L}}{\partial{b}}=0∂b∂L=0

将样本数据(x,y)(x, y)(x,y)带入上面的方程组中即可求解出www和bbb的值，但是这种方法只对线性回归这样简单的任务有效。如果模型中含有非线性变换，或者损失函数不是均方差这种简单的形式，则很难通过上式求解。为了解决这个问题，下面我们将引入更加普适的数值求解方法：梯度下降法。

梯度下降法

在现实中存在大量的函数正向求解容易，反向求解较难，被称为单向函数。这种函数在密码学中有大量的应用，密码锁的特点是可以迅速判断一个密钥是否是正确的(已知xxx，求yyy很容易)，但是即使获取到密码锁系统，无法破解出正确的密钥是什么（已知yyy，求xxx很难）。

这种情况特别类似于一位想从山峰走到坡谷的盲人，他看不见坡谷在哪（无法逆向求解出$Loss&导数为0时的参数值），但可以伸脚探索身边的坡度（当前点的导数值，也称为梯度）。那么，求解Loss函数最小值可以“从当前的参数取值，一步步的按照下坡的方向下降，直到走到最低点”实现。这种方法笔者个人称它为“盲人下坡法”。哦不，有个更正式的说法“梯度下降法”。

训练的关键是找到一组(w,b)(w, b)(w,b)，使得损失函数LLL取极小值。我们先看一下损失函数LLL只随两个参数w5w_5w5、w9w_9w9变化时的简单情形，启发下寻解的思路。

L=L(w5,w9)L=L(w_5, w_9)L=L(w5,w9)

这里我们将w0,w1,...,w12w_0, w_1, ..., w_{12}w0,w1,...,w12中除w5,w9w_5, w_9w5,w9之外的参数和bbb都固定下来，可以用图画出L(w5,w9)L(w_5, w_9)L(w5,w9)的形式。

In[19]

net = Network(13)
losses = []
#只画出参数w5和w9在区间[-160, 160]的曲线部分，以及包含损失函数的极值
w5 = np.arange(-160.0, 160.0, 1.0)
w9 = np.arange(-160.0, 160.0, 1.0)
losses = np.zeros([len(w5), len(w9)])#计算设定区域内每个参数取值所对应的Loss
for i in range(len(w5)):for j in range(len(w9)):net.w[5] = w5[i]net.w[9] = w9[j]z = net.forward(x)loss = net.loss(z, y)losses[i, j] = loss#使用matplotlib将两个变量和对应的Loss作3D图
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
fig = plt.figure()
ax = Axes3D(fig)w5, w9 = np.meshgrid(w5, w9)ax.plot_surface(w5, w9, losses, rstride=1, cstride=1, cmap='rainbow')
plt.show()

对于这种简单情形，我们利用上面的程序，可以在三维空间中画出损失函数随参数变化的曲面图。从图中可以看出有些区域的函数值明显比周围的点小。

需要说明的是：为什么这里我们选择w5w_5w5和w9w_9w9来画图？这是因为选择这两个参数的时候，可比较直观的从损失函数的曲面图上发现极值点的存在。其他参数组合，从图形上观测损失函数的极值点不够直观。

观察上述曲线呈现出“圆滑”的坡度，这正是我们选择以均方误差作为损失函数的原因之一。图6 呈现了只有一个参数维度时，均方误差和绝对值误差（只将每个样本的误差累加，不做平方处理）的损失函数曲线图。

图6：均方误差和绝对值误差损失函数曲线图

由此可见，均方误差表现的“圆滑”的坡度有两个好处：

曲线的最低点是可导的。
越接近最低点，曲线的坡度逐渐放缓，有助与基于当前的梯度来判断接近最低点的程度（是否逐渐减少步长，以免错过最低点）。

而这两个特性绝对值误差是不具备的，这也是损失函数的设计不仅仅要考虑“合理性”，还要追求“易解性”的原因。

现在我们要找出一组[w5,w9][w_5, w_9][w5,w9]的值，使得损失函数最小，实现梯度下降法的方案如下：

步骤1：随机的选一组初始值，例如：[w5,w9]=[−100.0,−100.0][w_5, w_9] = [-100.0, -100.0][w5,w9]=[−100.0,−100.0]
步骤2：选取下一个点[w5′,w9′][w_5^{'} , w_9^{'}][w5′,w9′]，使得L(w5′,w9′)<L(w5,w9)L(w_5^{'} , w_9^{'}) < L(w_5, w_9)L(w5′,w9′)<L(w5,w9)
步骤3：重复步骤2，直到损失函数几乎不再下降。

如何选择[w5′,w9′][w_5^{'} , w_9^{'}][w5′,w9′]是至关重要的，第一要保证LLL是下降的，第二要使得下降的趋势尽可能的快。微积分的基础知识告诉我们，沿着梯度的反方向，是函数值下降最快的方向，如图7 所示。简单理解，函数在某一个点的梯度方向是曲线斜率最大的方向，但梯度方向是向上的，所以下降最快的是梯度的反方向。

图7：梯度下降方向示意图

计算梯度

上面我们讲过了损失函数的计算方法，这里稍微加以改写。为了梯度计算更加简洁，引入因子12\frac{1}{2}21，定义损失函数如下：

L=12N∑i=1N(yi−zi)2L= \frac{1}{2N}\sum_{i=1}^N{(y_i - z_i)^2}L=2N1i=1∑N(yi−zi)2

其中ziz_izi是网络对第iii个样本的预测值：

zi=∑j=012xij⋅wj+bz_i = \sum_{j=0}^{12}{x_i^{j}\cdot w_j} + bzi=j=0∑12xij⋅wj+b

梯度的定义：

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