NNDL 实验五 前馈神经网络（3）鸢尾花分类
NNDL 实验五 前馈神经网络（3）鸢尾花分类
文章目录
- 一、深入研究鸢尾花数据集
- 二、4.5 实践：基于前馈神经网络完成鸢尾花分类
-
- 4.5.1 小批量梯度下降法
-
- 4.5.1.1 数据分组
- 4.5.2 数据处理
-
- 4.5.2.2 用DataLoader进行封装
- 4.5.3 模型构建
- 4.5.4 完善Runner类
- 4.5.5 模型训练
- 4.5.6 模型评价
- 4.5.7 模型预测
- 思考题
-
- 1. 对比Softmax分类和前馈神经网络分类。
- 2.自定义隐藏层层数和每个隐藏层中的神经元个数，尝试找到最优超参数完成多分类。
- 3. 对比SVM与FNN分类效果，谈谈自己看法。
- 4. 尝试基于MNIST手写数字识别数据集，设计合适的前馈神经网络进行实验，并取得95%以上的准确率。
- 总结：
一、深入研究鸢尾花数据集
# coding=gbk
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from sklearn.linear_model import Perceptron
"""自定义感知机模型"""
# 数据线性可分，二分类数据
# 此处为一元一次线性方程
class Model:
def __init__(self):
# 创建指定形状的数组，数组元素以 1 来填充
self.w = np.ones(len(data[0]) - 1, dtype=np.float32)
self.b = 0 # 初始w/b的值
self.l_rate = 0.1
# self.data = data
def sign(self, x, w, b):
y = np.dot(x, w) + b # 求w，b的值
# Numpy中dot()函数主要功能有两个：向量点积和矩阵乘法。
# 格式：x.dot(y) 等价于 np.dot(x,y) ———x是m*n 矩阵 ，y是n*m矩阵，则x.dot(y) 得到m*m矩阵
return y
# 随机梯度下降法
# 随机梯度下降法（SGD），随机抽取一个误分类点使其梯度下降。根据损失函数的梯度，对w，b进行更新
def fit(self, X_train, y_train): # 将参数拟合 X_train数据集矩阵 y_train特征向量
is_wrong = False
# 误分类点的意思就是开始的时候，超平面并没有正确划分，做了错误分类的数据。
while not is_wrong:
wrong_count = 0 # 误分为0，就不用循环，得到w，b
for d in range(len(X_train)):
X = X_train[d]
y = y_train[d]
if y * self.sign(X, self.w, self.b) <= 0:
# 如果某个样本出现分类错误，即位于分离超平面的错误侧，则调整参数，使分离超平面开始移动，直至误分类点被正确分类。
self.w = self.w + self.l_rate * np.dot(y, X) # 调整w和b
self.b = self.b + self.l_rate * y
wrong_count += 1
if wrong_count == 0:
is_wrong = True
return 'Perceptron Model!'
# 得分
def score(self):
pass
# 导入数据集
df = pd.read_csv('Iris.csv', usecols=[1, 2, 3, 4, 5])
# pandas打印表格信息
# print(df.info())
# pandas查看数据集的头5条记录
# print(df.head())
"""绘制训练集基本散点图，便于人工分析，观察数据集的线性可分性"""
# 表示绘制图形的画板尺寸为8*5
plt.figure(figsize=(8, 5))
# 散点图的x坐标、y坐标、标签
plt.scatter(df[:50]['SepalLengthCm'], df[:50]['SepalWidthCm'], label='Iris-setosa')
plt.scatter(df[50:100]['SepalLengthCm'], df[50:100]['SepalWidthCm'], label='Iris-versicolor')
plt.scatter(df[100:150]['SepalLengthCm'], df[100:150]['SepalWidthCm'], label='Iris-virginica')
plt.xlabel('SepalLengthCm')
plt.ylabel('SepalWidthCm')
# 添加标题 '鸢尾花萼片的长度与宽度的散点分布'
plt.title('Scattered distribution of length and width of iris sepals.')
# 显示标签
plt.legend()
plt.show()
# 取前100条数据中的：前2个特征+标签，便于训练
data = np.array(df.iloc[:100, [0, 1, -1]])
# 数据类型转换，为了后面的数学计算
X, y = data[:, :-1], data[:, -1]
y = np.array([1 if i == 'Iris-setosa' else -1 for i in y])
"""自定义感知机模型,开始训练"""
perceptron = Model()
perceptron.fit(X, y)
# 最终参数
print(perceptron.w, perceptron.b)
# 绘图
x_points = np.linspace(4, 7, 10)
y_ = -(perceptron.w[0] * x_points + perceptron.b) / perceptron.w[1]
plt.plot(x_points, y_)
plt.scatter(df[:50]['SepalLengthCm'], df[:50]['SepalWidthCm'], label='Iris-setosa')
plt.scatter(df[50:100]['SepalLengthCm'], df[50:100]['SepalWidthCm'], label='Iris-versicolor')
plt.xlabel('SepalLengthCm')
plt.ylabel('SepalWidthCm')
# 添加标题 '自定义感知机模型训练结果'
plt.title('Training results of Custom perceptron model.')
plt.legend()
plt.show()
"""sklearn感知机模型,开始训练"""
# 使用训练数据进行训练
clf = Perceptron()
# 得到训练结果，权重矩阵
clf.fit(X, y)
# Weights assigned to the features.输出特征权重矩阵
# print(clf.coef_)
# 超平面的截距 Constants in decision function.
# print(clf.intercept_)
# 对测试集预测
# print(clf.predict([[6.0, 4.0]]))
# 对训练集评分
# print(clf.score(X, y))
# 绘图
x_points = np.linspace(4, 7, 10)
y_ = -(clf.coef_[0][0] * x_points + clf.intercept_[0]) / clf.coef_[0][1]
plt.plot(x_points, y_)
plt.scatter(df[:50]['SepalLengthCm'], df[:50]['SepalWidthCm'], label='Iris-setosa')
plt.scatter(df[50:100]['SepalLengthCm'], df[50:100]['SepalWidthCm'], label='Iris-versicolor')
plt.xlabel('SepalLengthCm')
plt.ylabel('SepalWidthCm')
# 添加标题 'sklearn感知机模型训练结果'
plt.title('Training results of sklearn perceptron model.')
plt.legend()
plt.show()
画出数据集中150个数据的前两个特征的散点分布图：
二、4.5 实践：基于前馈神经网络完成鸢尾花分类
继续使用第三章中的鸢尾花分类任务，将Softmax分类器替换为前馈神经网络。
- 损失函数：交叉熵损失；
- 优化器：随机梯度下降法；
- 评价指标：准确率。
4.5.1 小批量梯度下降法
在梯度下降法中，目标函数是整个训练集上的风险函数，这种方式称为批量梯度下降法（Batch Gradient Descent，BGD）。 批量梯度下降法在每次迭代时需要计算每个样本上损失函数的梯度并求和。当训练集中的样本数量很大时，空间复杂度比较高，每次迭代的计算开销也很大。
为了减少每次迭代的计算复杂度，我们可以在每次迭代时只采集一小部分样本，计算在这组样本上损失函数的梯度并更新参数，这种优化方式称为 小批量梯度下降法（Mini-Batch Gradient Descent，Mini-Batch GD）。
第次迭代时，随机选取一个包含个样本的子集，计算这个子集上每个样本损失函数的梯度并进行平均，然后再进行参数更新。
其中为批量大小(Batch Size)。通常不会设置很大，一般在1∼100之间。在实际应用中为了提高计算效率，通常设置为2的幂2的n次方。
在实际应用中，小批量随机梯度下降法有收敛快、计算开销小的优点，因此逐渐成为大规模的机器学习中的主要优化算法。 此外，随机梯度下降相当于在批量梯度下降的梯度上引入了随机噪声。在非凸优化问题中，随机梯度下降更容易逃离局部最优点。
小批量随机梯度下降法的训练过程如下：
4.5.1.1 数据分组
为了小批量梯度下降法，我们需要对数据进行随机分组。目前，机器学习中通常做法是构建一个数据迭代器，每个迭代过程中从全部数据集中获取一批指定数量的数据。
数据迭代器的实现原理如下图所示：
首先，将数据集封装为Dataset类，传入一组索引值，根据索引从数据集合中获取数据；
其次，构建DataLoader类，需要指定数据批量的大小和是否需要对数据进行乱序，通过该类即可批量获取数据。
在实践过程中，通常使用进行参数优化。在飞桨中，使用paddle.io.DataLoader加载minibatch的数据， paddle.io.DataLoader API可以生成一个迭代器，其中通过设置batch_size参数来指定minibatch的长度，通过设置shuffle参数为True，可以在生成minibatch的索引列表时将索引顺序打乱。
4.5.2 数据处理
构造IrisDataset类进行数据读取，继承自paddle.io.Dataset类。paddle.io.Dataset是用来封装 Dataset的方法和行为的抽象类，通过一个索引获取指定的样本，同时对该样本进行数据处理。当继承paddle.io.Dataset来定义数据读取类时，实现如下方法：
getitem：根据给定索引获取数据集中指定样本，并对样本进行数据处理；
len：返回数据集样本个数。
代码实现如下：
import numpy as np
import torch
from torch.utils.data import Dataset,DataLoader
from sklearn import datasets
import copy
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
#加载数据集
def load_data(shuffle=True):
"""
加载鸢尾花数据
输入：
- shuffle：是否打乱数据，数据类型为bool
输出：
- X：特征数据，shape=[150,4]
- y：标签数据, shape=[150,3]
"""
#加载原始数据
X = np.array(datasets.load_iris()['data'], dtype=np.float32)
y = np.array(datasets.load_iris()['target'], dtype=np.int64)
X = torch.tensor(X)
y = torch.tensor(y)
#数据归一化
X_min = torch.min(X, axis=0)
X_max = torch.max(X, axis=0)
X = (X-X_min.values) / (X_max.values-X_min.values)
#如果shuffle为True，随机打乱数据
if shuffle:
idx = torch.randperm(X.shape[0])
X_new = copy.deepcopy(X)
y_new = copy.deepcopy(y)
for i in range(X.shape[0]):
X_new[i] = X[idx[i]]
y_new[i] = y[idx[i]]
X = X_new
y = y_new
return X, y
class IrisDataset(Dataset):
def __init__(self, mode='train', num_train=120, num_dev=15):
super(IrisDataset, self).__init__()
# 调用第三章中的数据读取函数，其中不需要将标签转成one-hot类型
X, y = load_data(shuffle=True)
if mode == 'train':
self.X, self.y = X[:num_train], y[:num_train]
elif mode == 'dev':
self.X, self.y = X[num_train:num_train + num_dev], y[num_train:num_train + num_dev]
else:
self.X, self.y = X[num_train + num_dev:], y[num_train + num_dev:]
def __getitem__(self, idx):
return self.X[idx], self.y[idx]
def __len__(self):
return len(self.y)
def get_(self):
return self.X,self.y
torch.manual_seed(12)
train_dataset = IrisDataset(mode='train')
dev_dataset = IrisDataset(mode='dev')
test_dataset = IrisDataset(mode='test')
#训练数据可视化
X00,y00 = train_dataset.get_()
x0=X00[y00==0]
x1=X00[y00==1]
x2=X00[y00==2]
for i in [0]:
plt.scatter(x0[:,i],x0[:,i+1],c='r',marker='o',label='setosa')
plt.scatter(x1[:,i],x1[:,i+1],c='g',marker='o',label='virgincia')
plt.scatter(x2[:,i],x2[:,i+1],c='blue',marker='o',label='versicolor')
plt.legend(loc=2)#把图例放到左上角
plt.show()
# 打印训练集长度
print ("length of train set: ", len(train_dataset))
4.5.2.2 用DataLoader进行封装
# 批量大小
batch_size = 16
# 加载数据
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
dev_loader = DataLoader(dev_dataset, batch_size=batch_size)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size)
4.5.3 模型构建
输入层神经元个数为4，输出层神经元个数为3，隐含层神经元个数为6。
import torchmetrics as Metric
class Accuracy():
def __init__(self, is_logist=True):
"""
输入：
- is_logist: outputs是logist还是激活后的值
"""
# 用于统计正确的样本个数
self.num_correct = 0
# 用于统计样本的总数
self.num_count = 0
self.is_logist = is_logist
def update(self, outputs, labels):
"""
输入：
- outputs: 预测值, shape=[N,class_num]
- labels: 标签值, shape=[N,1]
"""
# 判断是二分类任务还是多分类任务，shape[1]=1时为二分类任务，shape[1]>1时为多分类任务
if outputs.shape[1] == 1: # 二分类
outputs = torch.squeeze(outputs, axis=-1)
if self.is_logist:
# logist判断是否大于0
preds = troch.can_cast((outputs>=0), dtype=torch.float32)
else:
# 如果不是logist，判断每个概率值是否大于0.5，当大于0.5时，类别为1，否则类别为0
preds = torch.can_cast((outputs>=0.5), dtype=torch.float32)
else:
# 多分类时，使用'paddle.argmax'计算最大元素索引作为类别
preds = torch.argmax(outputs, dim=1).int()
# 获取本批数据中预测正确的样本个数
labels = torch.squeeze(labels, dim=-1)
batch_correct = torch.sum(torch.tensor(preds == labels, dtype=torch.float32)).numpy()
batch_count = len(labels)
# 更新num_correct 和 num_count
self.num_correct += batch_correct
self.num_count += batch_count
def accumulate(self):
# 使用累计的数据，计算总的指标
if self.num_count == 0:
return 0
return self.num_correct / self.num_count
def reset(self):
# 重置正确的数目和总数
self.num_correct = 0
self.num_count = 0
def name(self):
return "Accuracy"
4.5.4 完善Runner类
基于RunnerV2类进行完善实现了RunnerV3类。其中训练过程使用自动梯度计算，使用DataLoader加载批量数据，使用随机梯度下降法进行参数优化；模型保存时，使用state_dict方法获取模型参数；模型加载时，使用set_state_dict方法加载模型参数.
由于这里使用随机梯度下降法对参数优化，所以数据以批次的形式输入到模型中进行训练，那么评价指标计算也是分别在每个批次进行的，要想获得每个epoch整体的评价结果，需要对历史评价结果进行累积。这里定义Accuracy类实现该功能。
import torchmetrics as Metric
class Accuracy():
def __init__(self, is_logist=True):
"""
输入：
- is_logist: outputs是logist还是激活后的值
"""
# 用于统计正确的样本个数
self.num_correct = 0
# 用于统计样本的总数
self.num_count = 0
self.is_logist = is_logist
def update(self, outputs, labels):
"""
输入：
- outputs: 预测值, shape=[N,class_num]
- labels: 标签值, shape=[N,1]
"""
# 判断是二分类任务还是多分类任务，shape[1]=1时为二分类任务，shape[1]>1时为多分类任务
if outputs.shape[1] == 1: # 二分类
outputs = torch.squeeze(outputs, axis=-1)
if self.is_logist:
# logist判断是否大于0
preds = troch.can_cast((outputs>=0), dtype=torch.float32)
else:
# 如果不是logist，判断每个概率值是否大于0.5，当大于0.5时，类别为1，否则类别为0
preds = torch.can_cast((outputs>=0.5), dtype=torch.float32)
else:
# 多分类时，使用'paddle.argmax'计算最大元素索引作为类别
preds = torch.argmax(outputs, dim=1).int()
# 获取本批数据中预测正确的样本个数
labels = torch.squeeze(labels, dim=-1)
batch_correct = torch.sum(torch.tensor(preds == labels, dtype=torch.float32)).numpy()
batch_count = len(labels)
# 更新num_correct 和 num_count
self.num_correct += batch_correct
self.num_count += batch_count
def accumulate(self):
# 使用累计的数据，计算总的指标
if self.num_count == 0:
return 0
return self.num_correct / self.num_count
def reset(self):
# 重置正确的数目和总数
self.num_correct = 0
self.num_count = 0
def name(self):
return "Accuracy"
RunnerV3类的代码实现如下：
import torch.nn.functional as F
class RunnerV3(object):
def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric, **kwargs):
self.model = model
self.optimizer = optimizer
self.loss_fn = loss_fn
self.metric = metric # 只用于计算评价指标
# 记录训练过程中的评价指标变化情况
self.dev_scores = []
# 记录训练过程中的损失函数变化情况
self.train_epoch_losses = [] # 一个epoch记录一次loss
self.train_step_losses = [] # 一个step记录一次loss
self.dev_losses = []
# 记录全局最优指标
self.best_score = 0
def train(self, train_loader, dev_loader=None, **kwargs):
# 将模型切换为训练模式
self.model.train()
# 传入训练轮数，如果没有传入值则默认为0
num_epochs = kwargs.get("num_epochs", 0)
# 传入log打印频率，如果没有传入值则默认为100
log_steps = kwargs.get("log_steps", 100)
# 评价频率
eval_steps = kwargs.get("eval_steps", 0)
# 传入模型保存路径，如果没有传入值则默认为"best_model.pdparams"
save_path = kwargs.get("save_path", "best_model.pdparams")
custom_print_log = kwargs.get("custom_print_log", None)
# 训练总的步数
num_training_steps = num_epochs * len(train_loader)
if eval_steps:
if self.metric is None:
raise RuntimeError('Error: Metric can not be None!')
if dev_loader is None:
raise RuntimeError('Error: dev_loader can not be None!')
# 运行的step数目
global_step = 0
# 进行num_epochs轮训练
for epoch in range(num_epochs):
# 用于统计训练集的损失
total_loss = 0
for step, data in enumerate(train_loader):
X, y = data
# 获取模型预测
logits = self.model(X)
loss = self.loss_fn(logits, y) # 默认求mean
total_loss += loss
# 训练过程中，每个step的loss进行保存
self.train_step_losses.append((global_step,loss.item()))
if log_steps and global_step%log_steps==0:
print(f"[Train] epoch: {epoch}/{num_epochs}, step: {global_step}/{num_training_steps}, loss: {loss.item():.5f}")
# 梯度反向传播，计算每个参数的梯度值
loss.backward()
if custom_print_log:
custom_print_log(self)
# 小批量梯度下降进行参数更新
self.optimizer.step()
# 梯度归零
self.optimizer.zero_grad()
# 判断是否需要评价
if eval_steps>0 and global_step>0 and \
(global_step%eval_steps == 0 or global_step==(num_training_steps-1)):
dev_score, dev_loss = self.evaluate(dev_loader, global_step=global_step)
print(f"[Evaluate] dev score: {dev_score:.5f}, dev loss: {dev_loss:.5f}")
# 将模型切换为训练模式
self.model.train()
# 如果当前指标为最优指标，保存该模型
if dev_score > self.best_score:
self.save_model(save_path)
print(f"[Evaluate] best accuracy performence has been updated: {self.best_score:.5f} --> {dev_score:.5f}")
self.best_score = dev_score
global_step += 1
# 当前epoch 训练loss累计值
trn_loss = (total_loss / len(train_loader)).item()
# epoch粒度的训练loss保存
self.train_epoch_losses.append(trn_loss)
print("[Train] Training done!")
# 模型评估阶段，使用'paddle.no_grad()'控制不计算和存储梯度
@torch.no_grad()
def evaluate(self, dev_loader, **kwargs):
assert self.metric is not None
# 将模型设置为评估模式
self.model.eval()
global_step = kwargs.get("global_step", -1)
# 用于统计训练集的损失
total_loss = 0
# 重置评价
self.metric.reset()
# 遍历验证集每个批次
for batch_id, data in enumerate(dev_loader):
X, y = data
# 计算模型输出
logits = self.model(X)
# 计算损失函数
loss = self.loss_fn(logits, y).item()
# 累积损失
total_loss += loss
# 累积评价
self.metric.update(logits, y)
dev_loss = (total_loss/len(dev_loader))
dev_score = self.metric.accumulate()
# 记录验证集loss
if global_step!=-1:
self.dev_losses.append((global_step, dev_loss))
self.dev_scores.append(dev_score)
return dev_score, dev_loss
# 模型评估阶段，使用'paddle.no_grad()'控制不计算和存储梯度
@torch.no_grad()
def predict(self, x, **kwargs):
# 将模型设置为评估模式
self.model.eval()
# 运行模型前向计算，得到预测值
logits = self.model(x)
return logits
def save_model(self, save_path):
torch.save(self.model.state_dict(), save_path)
def load_model(self, model_path):
model_state_dict = torch.load(model_path)
self.model.state_dict(model_state_dict)
4.5.5 模型训练
import torch.optim as opt
lr = 0.2
# 定义网络
model = fnn_model
# 定义优化器
optimizer = opt.SGD(model.parameters(),lr)
# 定义损失函数。softmax+交叉熵
loss_fn = F.cross_entropy
# 定义评价指标
metric = Accuracy(is_logist=True)
runner = RunnerV3(model, optimizer, loss_fn, metric)
使用训练集和验证集进行模型训练，共训练150个epoch。在实验中，保存准确率最高的模型作为最佳模型。代码实现如下：
# 启动训练
log_steps = 100
eval_steps = 50
runner.train(train_loader, dev_loader,
num_epochs=150, log_steps=log_steps, eval_steps = eval_steps,
save_path="best_model.pdparams")
可视化观察训练集损失和训练集loss变化情况：
import matplotlib.pyplot as plt
# 绘制训练集和验证集的损失变化以及验证集上的准确率变化曲线
def plot_training_loss_acc(runner, fig_name,
fig_size=(16, 6),
sample_step=20,
loss_legend_loc="upper right",
acc_legend_loc="lower right",
train_color="#e4007f",
dev_color='#f19ec2',
fontsize='large',
train_linestyle="-",
dev_linestyle='--'):
plt.figure(figsize=fig_size)
plt.subplot(1,2,1)
train_items = runner.train_step_losses[::sample_step]
train_steps=[x[0] for x in train_items]
train_losses = [x[1] for x in train_items]
plt.plot(train_steps, train_losses, color=train_color, linestyle=train_linestyle, label="Train loss")
if len(runner.dev_losses)>0:
dev_steps=[x[0] for x in runner.dev_losses]
dev_losses = [x[1] for x in runner.dev_losses]
plt.plot(dev_steps, dev_losses, color=dev_color, linestyle=dev_linestyle, label="Dev loss")
# 绘制坐标轴和图例
plt.ylabel("loss", fontsize=fontsize)
plt.xlabel("step", fontsize=fontsize)
plt.legend(loc=loss_legend_loc, fontsize='x-large')
# 绘制评价准确率变化曲线
if len(runner.dev_scores)>0:
plt.subplot(1,2,2)
plt.plot(dev_steps, runner.dev_scores,
color=dev_color, linestyle=dev_linestyle, label="Dev accuracy")
# 绘制坐标轴和图例
plt.ylabel("score", fontsize=fontsize)
plt.xlabel("step", fontsize=fontsize)
plt.legend(loc=acc_legend_loc, fontsize='x-large')
plt.savefig(fig_name)
plt.show()
plot_training_loss_acc(runner, 'fw-loss.pdf')
从输出结果可以看出准确率随着迭代次数增加逐渐上升，损失函数下降。
4.5.6 模型评价
使用测试数据对在训练过程中保存的最佳模型进行评价，观察模型在测试集上的准确率以及Loss情况。代码实现如下：
# 加载最优模型
runner.load_model('best_model.pdparams')
# 模型评价
score, loss = runner.evaluate(test_loader)
print("[Test] accuracy/loss: {:.4f}/{:.4f}".format(score, loss))
4.5.7 模型预测
同样地，也可以使用保存好的模型，对测试集中的某一个数据进行模型预测，观察模型效果。代码实现如下：
# 获取测试集中第一条数据
X, label = test_dataset.get_()
logits = runner.predict(X)
pred_class = torch.argmax(logits[0]).numpy()
label = label[0].numpy()
# 输出真实类别与预测类别
print("The true category is {} and the predicted category is {}".format(label, pred_class))
思考题
1. 对比Softmax分类和前馈神经网络分类。
Softmax分类器是逻辑回归分类器（LR）面对多分类任务的一般化变形，softmax计算简单，既可以进行二分类和多分类，和逻辑回归不同的是将激活函数变为softmax.
前馈神经网络是一种单向多层的网络结构，信息从输入层开始，逐层向一个方向传递，即单向传递，一直到输出层结束。前馈的意思就是指传播方向指的是前向。
C=0.1
C=4时：
C=8：
C=12：
C=100：
C=1000：
分类效果图可参考：
2.自定义隐藏层层数和每个隐藏层中的神经元个数，尝试找到最优超参数完成多分类。
隐藏层个数改为3：
将一个神经元的个数改为4：
再将隐藏层个数改为4：
再将隐藏层个数改为5：
根据结果可以看出:当隐层个数为6，神经元个数为均4是效果较好一点。
3. 对比SVM与FNN分类效果，谈谈自己看法。
SVM：
优点：
1.非线性映射理论基础，利用核函数代替了高维空间的映射，最大化间隔是核心，支持向量是训练的结果，最终结果是少量的向量决定的，可以提出较大的样本，所以有较小的鲁棒性。
2.使用核函数可以解决非线性的分类
3.分类思想很简单，就是将样本与决策面的间隔最大化
缺点：
1、SVM算法对大规模训练样本难以实施。SVM的空间消耗主要是存储训练样本和核矩阵，由于SVM是借助二次规划来求解支持向量，而求解二次规划将涉及m阶矩阵的计算（m为样本的个数），当m数目很大时该矩阵的存储和计算将耗费大量的机器内存和运算时间。
2、用SVM解决多分类问题存在困难,但是可以通过间接的方法去做。经典的支持向量机算法只给出了二类分类的算法，而在数据挖掘的实际应用中，一般要解决多类的分类问题。
3、对缺失数据敏感，对参数和核函数的选择敏感
FNN:
优点：神经网络有很强的非线性拟合能力，可映射任意复杂的非线性关系，而且学习规则简单，便于计算机实现。具有很强的鲁棒性、记忆能力、非线性映射能力以及强大的自学习能力，因此有很大的应用市场。可实现非线性映射，有自学能力，有推广概括能力。
缺点：
1、两阶段的训练模型，应用过程不太方便，且模型能力受限于FM表征能力的上限
2、只关注于高阶组合特征的交叉
3、两阶段训练方式也有问题。FM中特征组合，使用的隐向量的点积运算。将FM得到的隐向量移植到DNN中作为DNN的输入， 全连接层这时候会将输入向量的所有元素加权求和，且不会对Field进行区分。 这个其实又回到了之前说Deep Crossing时的问题，全连接隐层把所有特征进行了统一的交叉学习， 这在很多场景下其实是不太合理的。
4.采用梯度下降法，速度慢，有可能进入局部最小值而训练失败，新加入的样本有影响，可能会出现欠学习或过学习。
4. 尝试基于MNIST手写数字识别数据集，设计合适的前馈神经网络进行实验，并取得95%以上的准确率。
import torch
from torch import nn
from torch.autograd import Variable
from torch.utils.data import DataLoader
import torchvision.datasets as dataset
import torchvision.transforms as transforms
batch_size = 100
# 加载数据集
train_dataset = dataset.MNIST(root='./data', train=True, transform=transforms.ToTensor(), download=True)
test_dataset = dataset.MNIST(root='./data', train=False, transform=transforms.ToTensor(), download=True)
# 封装数据集
train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
# 初始化超参数
input_size = 784
hidden_size = 500
num_classes = 10 # 类别数目
# 定义神经网络模型
class module(nn.Module):
def __init__(self, input_size, hidden_size, output_num):
super(module, self).__init__()
self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, output_num)
# 前向传播
def forward(self, x):
out = self.fc1(x)
out = torch.relu(out)
out = self.fc2(out)
return out
module = module(input_size, hidden_size, num_classes)
# 超参数初始化
lr = 1e-1
epochs = 5
# 定义损失函数及优化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.SGD(module.parameters(), lr=lr)
# 模型开始训练
for epoch in range(epochs + 1):
print("==============第 {} 轮 训练开始==============".format(epoch + 1))
for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
images = Variable(images.view(-1, 28 * 28))
labels = Variable(labels)
outputs = module(images)
# 计算损失
loss = criterion(outputs, labels)
# 梯度清0
optimizer.zero_grad()
# 反向传播
loss.backward()
# 参数更新
optimizer.step() # update parameters
#
if i % 100 == 0:
print("交叉熵损失为: %.5f" % loss.item())
# 利用训练好的模型进行预测
T = 0 # 总共测试集样本个数
CC = 0 # 测试集正确识别的个数
for images, labels in test_loader:
images = Variable(images.view(-1, 28 * 28))
labels = Variable(labels)
outputs = module(images)
_, predicts = torch.max(outputs.data, 1)
T += labels.size(0)
CC += (predicts == labels).sum()
print("识别准确率为：%.2f %%" % (100 * CC / T))
总结：
本次实验我了解了Softmax分类和前馈神经网络分类的区别，SVM与FNN分类效果的区别以及他们的优缺点，并且感觉每次网络搭建的步骤都大差不离，总的框架结构差不多。
前馈神经网络思维导图：
