莫烦Tensorflow教程（1~14）（转）

一、Tensorflow结构

import tensorflow as tf
import numpy as np#create data
x_data=np.random.rand(100).astype(np.float32)
y_data=x_data*0.1+0.3#create tensorflow structure
Weights=tf.Variable(tf.random_uniform([1],-1.0,1.0)) #一维，范围[-1,1]
biases=tf.Variable(tf.zeros([1]))y=Weights*x_data+biasesloss=tf.reduce_mean(tf.square(y-y_data))#建立优化器，减小误差，提高参数准确度，每次迭代都会优化
optimizer=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5) #学习效率<1
train=optimizer.minimize(loss)#初始化变量
init=tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)#trainfor step in range(201):sess.run(train)if step%20==0:print(step,sess.run(Weights),sess.run(biases))

二、Session

import tensorflow as tfmatrix1 = tf.constant([[3, 3]])
matrix2 = tf.constant([[2], [2]])# matrix multiply
# np.dot(m1,m2)
product = tf.matmul(matrix1, matrix2)# # method 1
# sess = tf.Session()  # Session是一个object，首字母要大写
# # 只有sess.run()之后，tensorflow才会执行一次
# result = sess.run(product)
# print(result)
# # close 不影响，会显得更整洁
# sess.close()# method 2
# with 可以自己关闭会话
with tf.Session() as sess:result2 = sess.run(product)print(result2)

三、Variable

import tensorflow as tfstate=tf.Variable(0,name='counter')
# print(state.name)
# 变量+常量=变量
one=tf.constant(1)
new_value=tf.add(state,one)
#将state用new_value代替
updata=tf.assign(state,new_value)#变量必须要激活
init=tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)for _ in range(3):sess.run(updata)print(sess.run(state))

四、placeholder

运行到sess.run()的时候再给输入

利用feed_dict绑定

import tensorflow as tf# 给定type，tf大部分只能处理float32数据
input1 = tf.placeholder(tf.float32)
input2 = tf.placeholder(tf.float32)# Tensorflow 1.0 修改版
# tf.mul---tf.multiply
# tf.sub---tf.subtract
# tf.neg---tf.negative
output = tf.multiply(input1, input2)with tf.Session() as sess:# placeholder在sess.run()的时候传入值print(sess.run(output, feed_dict={input1: [7.], input2: [2.]}))

五、激励函数

解决非线性问题

要求：必须可微分

简单的神经网络一般可以使用任何激励函数；

复杂的神经网络不能随意选择，会造成梯度爆炸和梯度消失的问题；

如何选择

简述激励函数：

让某一部分的神经元先激活，传到后面的神经元，不同的神经元对不同的特征敏感。

激活函数的输出：

激活 / 抑制

一般的神经网络：

激活函数就在layer2中

六、添加层

import tensorflow as tf
import numpy as npdef add_layer(inputs,in_size,out_size,activation_function=None):#Weights是一个矩阵，[行，列]为[in_size,out_size]Weights=tf.Variable(tf.random_normal([in_size,out_size]))#正态分布#初始值推荐不为0，所以加上0.1，一行，out_size列biases=tf.Variable(tf.zeros([1,out_size])+0.1)#Weights*x+b的初始化的值，也就是未激活的值Wx_plus_b=tf.matmul(inputs,Weights)+biases#激活if activation_function is None:#激活函数为None，也就是线性函数outputs=Wx_plus_belse:outputs=activation_function(Wx_plus_b)return outputs

七、构建一个神经网络

import tensorflow as tf
import numpy as npdef add_layer(inputs,in_size,out_size,activation_function=None):#Weights是一个矩阵，[行，列]为[in_size,out_size]Weights=tf.Variable(tf.random_normal([in_size,out_size]))#正态分布#初始值推荐不为0，所以加上0.1，一行，out_size列biases=tf.Variable(tf.zeros([1,out_size])+0.1)#Weights*x+b的初始化的值，也就是未激活的值Wx_plus_b=tf.matmul(inputs,Weights)+biases#激活if activation_function is None:#激活函数为None，也就是线性函数outputs=Wx_plus_belse:outputs=activation_function(Wx_plus_b)return outputs"""定义数据形式"""
# (-1,1)之间，有300个单位，后面的是维度，x_data是有300行（300个例子）
x_data=np.linspace(-1,1,300)[:,np.newaxis]
# 加噪声,均值为0，方差为0.05，大小和x_data一样
noise=np.random.normal(0,0.05,x_data.shape)
y_data=np.square(x_data)-0.5+noisexs=tf.placeholder(tf.float32,[None,1])
ys=tf.placeholder(tf.float32,[None,1])"""建立网络"""
#定义隐藏层，输入1个节点，输出10个节点
l1=add_layer(xs,1,10,activation_function=tf.nn.relu)
#定义输出层
prediction=add_layer(l1,10,1,activation_function=None)"""预测"""
#损失函数,算出的是每个例子的平方，要求和（reduction_indices=[1]，按行求和）,再求均值
loss=tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(tf.square(ys-prediction),reduction_indices=[1]))"""训练"""
#优化算法,minimize(loss)以0.1的学习率对loss进行减小
train_step=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1).minimize(loss)init=tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)for i in range(1000):sess.run(train_step,feed_dict={xs:x_data,ys:y_data})if i%50==0:print(sess.run(loss,feed_dict={xs:x_data,ys:y_data}))

八、可视化

import tensorflow as tf
import numpy as np
import matplotlib.pylab as plt
def add_layer(inputs,in_size,out_size,activation_function=None):#Weights是一个矩阵，[行，列]为[in_size,out_size]Weights=tf.Variable(tf.random_normal([in_size,out_size]))#正态分布#初始值推荐不为0，所以加上0.1，一行，out_size列biases=tf.Variable(tf.zeros([1,out_size])+0.1)#Weights*x+b的初始化的值，也就是未激活的值Wx_plus_b=tf.matmul(inputs,Weights)+biases#激活if activation_function is None:#激活函数为None，也就是线性函数outputs=Wx_plus_belse:outputs=activation_function(Wx_plus_b)return outputs"""定义数据形式"""
# (-1,1)之间，有300个单位，后面的是维度，x_data是有300行（300个例子）
x_data=np.linspace(-1,1,300)[:,np.newaxis]
# 加噪声,均值为0，方差为0.05，大小和x_data一样
noise=np.random.normal(0,0.05,x_data.shape)
y_data=np.square(x_data)-0.5+noisexs=tf.placeholder(tf.float32,[None,1])
ys=tf.placeholder(tf.float32,[None,1])"""建立网络"""
#定义隐藏层，输入1个节点，输出10个节点
l1=add_layer(xs,1,10,activation_function=tf.nn.relu)
#定义输出层
prediction=add_layer(l1,10,1,activation_function=None)"""预测"""
#损失函数,算出的是每个例子的平方，要求和（reduction_indices=[1]，按行求和）,再求均值
loss=tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(tf.square(ys-prediction),reduction_indices=[1]))"""训练"""
#优化算法,minimize(loss)以0.1的学习率对loss进行减小
train_step=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1).minimize(loss)init=tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)fig=plt.figure()#连续性的画图ax=fig.add_subplot(1,1,1)ax.scatter(x_data,y_data)# 不暂停plt.ion()# plt.show()绘制一次就会暂停# plt.show() #也可以用plt.show(block=False)来取消暂停，但是python3.5以后提供了ion的功能，更方便for i in range(1000):sess.run(train_step,feed_dict={xs:x_data,ys:y_data})if i%50==0:# print(sess.run(loss,feed_dict={xs:x_data,ys:y_data}))#尝试先抹除，后绘制第二条线#第一次没有线，会报错，try就会忽略错误，然后紧接着执行下面的步骤try:# 画出一条后抹除掉,去除第一个线段，但是只有一个，也就是抹除当前的线段ax.lines.remove(lines[0])except Exception:passprediction_value=sess.run(prediction,feed_dict={xs:x_data})lines=ax.plot(x_data,prediction_value,'r-',lw=5) #lw线宽# 暂停0.1splt.pause(0.1)

九、加速神经网络训练

网络越复杂，数据越多，参数越多，训练时间越长，但是往往为了解决复杂的问题，网络复杂度高不可避免，所以要使用某些方法使得网络运行更快。

1. 随机梯度下降

2. 在参数更新上优化

3. 学习率

十、优化器

是对学习率的改变

从初始的cost慢慢走到最小cost的过程

十一、可视化 Tensorboard

1. Tensorboard安装：

pip install tensorboard

2. 编程获得logs文件夹下的可视化文件

3. 进入cmd，到保存文件的路径下

cd E:\python\mofan Tensorflow\logs

4. 启动Tensorboard

Tensorboard --logdir=logs

天呐，不知道哪天手残把系统变量的Path给删除了，整了一晚上安装Tensorboard都出错，终于发现了是Path的问题，以后还是乖乖的，啥也不敢删除了。

如何复制其中的内容？

1）右键上面的空白边，出现下面界面：

2）点击“标记”

3）选中，点击“Enter”，就复制了

 http://PC-20160519HGCD:6006

最好使用google chrome打开网址，即可看到graphs。

十二、分类学习

28*28=784个数据点，也就是x输入的大小

总共0~9，也就是y输出的大小

代表3：

黑色格子表示为分类结果：

import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_datamnist=input_data.read_data_sets('MNIST_data',one_hot=True)def add_layer(inputs,in_size,out_size,activation_function=None):#Weights是一个矩阵，[行，列]为[in_size,out_size]Weights=tf.Variable(tf.random_normal([in_size,out_size]))#正态分布#初始值推荐不为0，所以加上0.1，一行，out_size列biases=tf.Variable(tf.zeros([1,out_size])+0.1)#Weights*x+b的初始化的值，也就是未激活的值Wx_plus_b=tf.matmul(inputs,Weights)+biases#激活if activation_function is None:#激活函数为None，也就是线性函数outputs=Wx_plus_belse:outputs=activation_function(Wx_plus_b)return outputsdef compute_accuracy(v_xs,v_ys):#全局变量global prediction#生成预测值，也就是概率，即每个数字的概率y_pre=sess.run(prediction,feed_dict={xs:v_xs})#对比预测的数据是否和真实值相等，对比位置是否相等，相等就对了correct_prediction=tf.equal(tf.arg_max(y_pre,1),tf.arg_max(v_ys,1))#计算多少个对，多少个错#tf.cast(x,dtype)，将x数据转换为dtype类型accuracy=tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))result=sess.run(accuracy,feed_dict={xs:v_xs,ys:v_ys})return result# define placeholder for inputs to networks
# 不规定有多少个sample，但是每个sample大小为784（28*28）
xs=tf.placeholder(tf.float32,[None,784])
ys=tf.placeholder(tf.float32,[None,10])#add output layer
prediction=add_layer(xs,784,10,activation_function=tf.nn.softmax)#the error between prediction and real data
cross_entropy=tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(ys*tf.log(prediction),reduction_indices=[1]))
train_strp=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5).minimize(cross_entropy)init=tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)for i in range(2000):batch_xs,batch_ys=mnist.train.next_batch(100)sess.run(train_strp,feed_dict={xs:batch_xs,ys:batch_ys})if i%50==0:print(compute_accuracy(mnist.test.images,mnist.test.labels))

结果：

十三、过拟合

分类中的过拟合：

实际：

对十字形的新数据分类错误

解决方法：

1）增加数据量

过拟合的原因是模型复杂度和数据量不匹配，也就是数据量太小

当数据量增大时，红线被拉直，没有那么扭曲

2）正则化

WW变化太大，则让cost的变化也变大。

3）专门用于神经网络的训练方法：Dropout regularization

第一次训练：随机去掉神经网络节点和网络连接：

第二次训练：再次随机去掉一些参数

意义：每一次预测的结果都不会依赖于某部分特定的神经元，例如Regularization，当过度依赖某些WW的数值会很大，L1/L2会惩罚大的参数，而Dropout是从根本上不让其过度依赖某些神经元。

十四、Dropout解决over-fitting

黑色的线是理想的分割线，绿色的曲线就是过拟合的曲线，所以要避免让机器学习学到绿色的线

第一条是直线拟合，没有很好的拟合效果，underfit
第二条效果较好，just right
第三条是过拟合，over-fitting

Tensorflow解决overfitting——dropout

Summary：所有需要在TensorBoard上展示的统计结果。
tf.name_scope()：为Graph中的Tensor添加层级，TensorBoard会按照代码指定的层级进行展示，初始状态下只绘制最高层级的效果，点击后可展开层级看到下一层的细节。
tf.summary.scalar()：添加标量统计结果。
tf.summary.histogram()：添加任意shape的Tensor，统计这个Tensor的取值分布。
tf.summary.merge_all()：添加一个操作，代表执行所有summary操作，这样可以避免人工执行每一个summary op。
tf.summary.FileWrite：用于将Summary写入磁盘，需要制定存储路径logdir，如果传递了Graph对象，则在Graph Visualization会显示Tensor Shape Information。执行summary op后，将返回结果传递给add_summary()方法即可。

未使用dropout：

import tensorflow as tf
from sklearn.datasets import load_digits
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer#load data
digits=load_digits()
#0~9的图像
X=digits.data
#y是binary的，表示数字1，就在第二个位置放上1，其余都为0
y=digits.target
y=LabelBinarizer().fit_transform(y)
#切分
X_train,X_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,test_size=3)def add_layer(inputs,in_size,out_size,layer_name,activation_function=None):#Weights是一个矩阵，[行，列]为[in_size,out_size]Weights=tf.Variable(tf.random_normal([in_size,out_size]))#正态分布#初始值推荐不为0，所以加上0.1，一行，out_size列biases=tf.Variable(tf.zeros([1,out_size])+0.1)#Weights*x+b的初始化的值，也就是未激活的值Wx_plus_b=tf.matmul(inputs,Weights)+biases#激活if activation_function is None:#激活函数为None，也就是线性函数outputs=Wx_plus_belse:outputs=activation_function(Wx_plus_b)# 下面的表示outputs的值tf.summary.histogram(layer_name+'/outputs',outputs)return outputs#define placeholder for inputs to network
xs=tf.placeholder(tf.float32,[None,64])
ys=tf.placeholder(tf.float32,[None,10])#add output layer
# l1为隐藏层，为了更加看出overfitting，所以输出给了100
l1=add_layer(xs,64,100,'l1',activation_function=tf.nn.tanh)prediction=add_layer(l1,100,10,'l2',activation_function=tf.nn.softmax)#the error between prediction and real data
cross_entropy=tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(ys*tf.log(prediction),reduction_indices=[1]))
#添加标量统计结果
tf.summary.scalar('loss',cross_entropy)
train_step=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.6).minimize(cross_entropy)init=tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)#添加一个操作，代表执行所有summary操作，这样可以避免人工执行每一个summary opmerged=tf.summary.merge_all()#summary writer goes in heretrain_writer=tf.summary.FileWriter("logs/train",sess.graph)#train为log的子文件夹test_writer=tf.summary.FileWriter("logs/test",sess.graph)for i in range(500):sess.run(train_step,feed_dict={xs:X_train,ys:y_train})if i%50==0:#record losstrain_result=sess.run(merged,feed_dict={xs:X_train,ys:y_train})test_result = sess.run(merged, feed_dict={xs: X_test, ys: y_test})train_writer.add_summary(train_result,i)test_writer.add_summary(test_result,i)

红色：testdata

绿色：trainingdata

使用dropout：

当train_result=sess.run(merged,feed_dict{xs:X_train,ys:y_train,keep_prob:1})时，也就是训练数据未使用dropout时，仍然有过拟合

当train_result=sess.run(merged,feed_dict{xs:X_train,ys:y_train,keep_prob:0.5})时，两者拟合的很好


import tensorflow as tf
from sklearn.datasets import load_digits
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer#load data
digits=load_digits()
#0~9的图像
X=digits.data
#y是binary的，表示数字1，就在第二个位置放上1，其余都为0
y=digits.target
y=LabelBinarizer().fit_transform(y)
#切分
X_train,X_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,test_size=3)def add_layer(inputs,in_size,out_size,layer_name,activation_function=None):#Weights是一个矩阵，[行，列]为[in_size,out_size]Weights=tf.Variable(tf.random_normal([in_size,out_size]))#正态分布#初始值推荐不为0，所以加上0.1，一行，out_size列biases=tf.Variable(tf.zeros([1,out_size])+0.1)#Weights*x+b的初始化的值，也就是未激活的值Wx_plus_b=tf.matmul(inputs,Weights)+biases#dropout 主功能，drop掉50%的结果，输出更新后的结果Wx_plus_b=tf.nn.dropout(Wx_plus_b,keep_prob)#激活if activation_function is None:#激活函数为None，也就是线性函数outputs=Wx_plus_belse:outputs=activation_function(Wx_plus_b)# 下面的表示outputs的值tf.summary.histogram(layer_name+'/outputs',outputs)return outputs#define placeholder for inputs to network
"""dropout"""
# 确定保留多少结果不被舍弃掉
keep_prob=tf.placeholder(tf.float32)xs=tf.placeholder(tf.float32,[None,64])
ys=tf.placeholder(tf.float32,[None,10])#add output layer
# l1为隐藏层，为了更加看出overfitting，所以输出给了100
l1=add_layer(xs,64,50,'l1',activation_function=tf.nn.tanh)prediction=add_layer(l1,50,10,'l2',activation_function=tf.nn.softmax)#the error between prediction and real data
cross_entropy=tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(ys*tf.log(prediction),reduction_indices=[1]))
#添加标量统计结果
tf.summary.scalar('loss',cross_entropy)
train_step=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.6).minimize(cross_entropy)init=tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)#添加一个操作，代表执行所有summary操作，这样可以避免人工执行每一个summary opmerged=tf.summary.merge_all()#summary writer goes in heretrain_writer=tf.summary.FileWriter("logs/train",sess.graph)#train为log的子文件夹test_writer=tf.summary.FileWriter("logs/test",sess.graph)for i in range(500):# drop掉60%，保持40%不被drop掉sess.run(train_step,feed_dict={xs:X_train,ys:y_train,keep_prob:0.4})if i%50==0:#record loss（不要drop掉任何东西，所以为1）train_result=sess.run(merged,feed_dict={xs:X_train,ys:y_train,keep_prob:0.5})test_result = sess.run(merged, feed_dict={xs: X_test, ys: y_test,keep_prob:1})train_writer.add_summary(train_result,i)test_writer.add_summary(test_result,i)