与以往解决分类问题不同,它输出的是一些离散的值,本例解决的是回归问题,输出的是连续的值。
本例将用于预测上个世纪70年代中期波士顿郊区房屋价格的中位数。
已知当时的一些数据点,如犯罪率、房地产税等。
注意,本例中包含的数据点较少,只有506个,分为404个训练样本和102个测试样本。且输入数据的每个特征都有不同的取值范围。
有些特征是比率,取值范围为0-1,有些特征是取值为1-12,还有些特征取值为0-100等。
下面开始。
该数据集内置为keras,直接加载即可:
from keras.datasets import boston_housing
# 我已经下载好数据了,直接加载
path = r"E:\practice\tf2\boston_house_price\boston_housing.npz"
(train_data, train_targets), (test_data, test_targets) = boston_housing.load_data(path) # 使用不带参数的load_data会从网络上下载数据
查看数据:
将取值范围差别很大的数据,直接输入网络是有问题的。
网络可能会自动适应这些数据,但学习会变得更加困难。
对于这样的样本,通常的做法是对每个特征进行标准化,即对样本的每个特征,减去平均值,再除以标准差,这样得到的特征平均值为0,标准差为1。
使用Numpy可以轻松做到:
mean = train_data.mean(axis = 0)
train_data -= mean
std = train_data.std(axis = 0)
train_data /= std
# 测试数据的标准化直接使用了训练数据中得出的结果
test_data -= mean
test_data /= std
注意,测试数据直接使用了训练数据的结果,因为这只是个demo,且它们的值相同。
但在实际的工作流程中,不能使用任何在训练数据集中得到的任何结果,即使像这样明显相同的值。
这里使用2个隐藏层,每层有64个单元的网络。
注意,一般来说,训练数据越少,过拟合会越严重。而较小的网络可以在一定程度上降低过拟合。
from keras import models
from keras import layers
# 因为后面要多次使用这个模型,所以定义成函数
def build_model():
model = models.Sequential()
model.add(layers.Dense(64, activation = 'relu', input_shape = (train_data.shape[1],)))
model.add(layers.Dense(64, activation = 'relu'))
model.add(layers.Dense(1))
model.compile(optimizer = 'rmsprop', loss = 'mse', metrics = ['mae'])
return model
可以看到,网络的最后一层只有一个单元,没有激活,这是个线性层,这是标量回归的典型设置。它会预测任意范围内的值。
添加激活函数将会限制输出范围,比如添加signoid激活函数,网络只能学会预测0-1范围的值。
编译网络用的是mse损失函数,它是均方误差(MSE, mean squared error),预测值与目标值之差的平方。这是回归问题常用的损失函数。
在训练过程中,还监控一个新指标:平均绝对误差(MAE,mean absolute error),它是预测值与目标值之差的绝对值。
比如,如果这个问题的MAE等于0.5,表示预测的房价与实际价格平均相差500美元(单位是千元)。
为了在调节网络参数的同时对网络进行评估,可以将数据划分为训练集和验证集。
但由于数据点很少,验证集也非常小,本例中只有100多个样本。因此验证分数可能会有很大波动。这样就无法对模型进行可靠评估。
这时,最佳做法就是使用k折验证。
它将数据划分为k个分区(k通常取4或5),实例化k个相同的模型,将每个模型在k-1个分区上训练,并在剩下的一个分区上进行评估。
模型的验证分数等于k个验证分数的平均值。
代码如下:
import numpy as np
k = 4
num_val_samples = len(train_data) // k
num_epochs = 100
all_scores = []
for i in range(k):
print('processing fold #', i)
val_data = train_data[i * num_val_samples: (i + 1) * num_val_samples]
val_targets = train_targets[i * num_val_samples: (i + 1) * num_val_samples]
partial_train_data = np.concatenate([train_data[:i * num_val_samples], train_data[(i + 1) * num_val_samples:]], axis = 0)
partial_train_targets = np.concatenate([train_targets[:i * num_val_samples], train_targets[(i + 1) * num_val_samples:]], axis = 0)
model = build_model()
model.fit(partial_train_data, partial_train_targets, epochs = num_epochs, batch_size = 1, verbose = 0)
val_mse, val_mae = model.evaluate(val_data, val_targets, verbose = 0)
all_scores.append(val_mae)
过程如下:
每次运行模型得到的验证分数有很大差异。平均分数是比单一分数更可靠的指标,这就是k折验证的关键。
查看分数:
在这个例子中,预测房价与实际价格平均相差2550元(我这个训练出来的效果比书上的好,书上的近3000元),考虑到房价实际价格,这个差别还是比较大的。
那么,我们可以把训练时间更长一点,达到500轮次:
num_epochs = 500
all_mae_histories = []
for i in range(k):
print('processing fold #', i)
val_data = train_data[i * num_val_samples: (i + 1) * num_val_samples]
val_targets = train_targets[i * num_val_samples: (i + 1) * num_val_samples]
partial_train_data = np.concatenate([train_data[:i * num_val_samples], train_data[(i + 1) * num_val_samples:]], axis = 0)
partial_train_targets = np.concatenate([train_targets[:i * num_val_samples], train_targets[(i + 1) * num_val_samples:]], axis = 0)
model = build_model()
history = model.fit(partial_train_data, partial_train_targets, validation_data = (val_data, val_targets), epochs = num_epochs, batch_size = 1, verbose = 0)
print(history.history.keys()) # 查看所有的key,输出:dict_keys(['loss', 'mae', 'val_loss', 'val_mae'])
mae_history = history.history['val_mae'] # 书中此处的key为val_mean_absolute_error,会报错
all_mae_histories.append(mae_history)
average_mae_history = [np.mean([x[i] for x in all_mae_histories]) for i in range(num_epochs)]
结果如下:
直接上代码:
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(range(1,len(average_mae_history) + 1), average_mae_history)
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Validation MAE')
plt.show()
如下:
因为纵轴的范围较大,且数据方差较大,很难看出数据规律。怎么办?重新画一下:
def smooth_curve(points, factor = 0.9):
smoothed_points = []
for point in points:
if smoothed_points:
previous = smoothed_points[-1]
smoothed_points.append(previous * factor + point * (1 - factor))
else:
smoothed_points.append(point)
return smoothed_points
smooth_mae_history = smooth_curve(average_mae_history[10:])
plt.plot(range(1, len(smooth_mae_history) + 1), smooth_mae_history)
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Validation MAE')
plt.show()
如下图:
可以看到,验证MAE在80轮后不再显著降低,之后开始过拟合。
完成模型调参之后,如轮数、隐藏层大小等,可以使用最佳参数在所有训练数据上训练最终的生产模型,然后在测试集上观察性能:
model = build_model()
model.fit(train_data, train_targets, epochs = 80, batch_size = 16, verbose = 0)
test_mse_score, test_mae_score = model.evaluate(test_data, test_targets)
最终结果如下:
可见,该模型在测试集上的表现,是与真实房价相差2660元,还不如第一次得到的模型。这也再次证明了,当数据量较小时,对训练出的模型的效果进行验证是相当困难的。越是细小的差别,越难得到准确验证。
《Python深度学习》