神经网络的搭建

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1 神经网络的搭建

接下来我们来构建如下图所示的神经网络模型：

tf.Keras中构建模有两种方式，一种是通过Sequential构建，一种是通过Model类构建。前者是按一定的顺序对层进行堆叠，而后者可以用来构建较复杂的网络模型。首先我们介绍下用来构建网络的全连接层：

tf.keras.layers.Dense(
    units, activation=None, use_bias=True, kernel_initializer='glorot_uniform',
    bias_initializer='zeros')

主要参数：

• units: 当前层中包含的神经元个数
• Activation: 激活函数，relu,sigmoid等
• use_bias: 是否使用偏置，默认使用偏置
• Kernel_initializer: 权重的初始化方式，默认是Xavier初始化
• bias_initializer: 偏置的初始化方式，默认为0

1.1 通过Sequential构建

Sequential() 提供一个层的列表，就能快速地建立一个神经网络模型，实现方法如下所示：

# 导入相关的工具包
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
# 定义一个Sequential模型，包含3层
model = keras.Sequential(
    [
        # 第一层：激活函数为relu,权重初始化为he_normal
        layers.Dense(3, activation="relu",
                     kernel_initializer="he_normal", name="layer1",input_shape=(3,)),
        # 第二层：激活函数为relu,权重初始化为he_normal
        layers.Dense(2, activation="relu",
                     kernel_initializer="he_normal", name="layer2"),
        # 第三层（输出层）：激活函数为sigmoid,权重初始化为he_normal
        layers.Dense(2, activation="sigmoid",
                     kernel_initializer="he_normal", name="layer3"),
    ],
    name="my_Sequential"
)

接下来我们使用：

# 展示模型结果
model.summary()

如下所示：

Model: "my_Sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
layer1 (Dense)               (None, 3)                 12        
_________________________________________________________________
layer2 (Dense)               (None, 2)                 8         
_________________________________________________________________
layer3 (Dense)               (None, 2)                 6         
=================================================================
Total params: 26
Trainable params: 26
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

通过这种sequential的方式只能构建简单的序列模型，较复杂的模型没有办法实现。

参数量计算：以第一个隐层为例：该隐层有3个神经元，每个神经元的参数为：4个（w1,w2,w3,b1），所以一共用3x4=12个参数。

1.2 利用function API构建

tf.keras 提供了 Functional API，建立更为复杂的模型，使用方法是将层作为可调用的对象并返回张量，并将输入向量和输出向量提供给 tf.keras.Model 的 inputs 和 outputs 参数，实现方法如下：

# 导入工具包
import tensorflow as tf
# 定义模型的输入
inputs = tf.keras.Input(shape=(3,),name = "input")
# 第一层：激活函数为relu，其他默认
x = tf.keras.layers.Dense(3, activation="relu",name = "layer1")(inputs)
# 第二层：激活函数为relu，其他默认
x = tf.keras.layers.Dense(2, activation="relu",name = "layer2")(x)
# 第三层（输出层）：激活函数为sigmoid
outputs = tf.keras.layers.Dense(2, activation="sigmoid",name = "layer3")(x)
# 使用Model来创建模型，指明输入和输出
model = tf.keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs,name="my_model") 

同样通过：

# 展示模型结果
model.summary()

结果如下所示：

Model: "my_model"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
input (InputLayer)           [(None, 3)]               0         
_________________________________________________________________
layer1 (Dense)               (None, 3)                 12        
_________________________________________________________________
layer2 (Dense)               (None, 2)                 8         
_________________________________________________________________
layer3 (Dense)               (None, 2)                 6         
=================================================================
Total params: 26
Trainable params: 26
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

另外也可以通过：

# 模型展示
keras.utils.plot_model(model,show_shapes=True)

1.3 通过model的子类构建

通过model的子类构建模型，此时需要在__init__中定义神经网络的层，在call方法中定义网络的前向传播过程，实现方法如下：

# 导入工具包
import tensorflow as tf
# 定义model的子类
class MyModel(tf.keras.Model):
    # 在init方法中定义网络的层结构
    def __init__(self):
        super(MyModel, self).__init__()
        # 第一层：激活函数为relu,权重初始化为he_normal
        self.layer1 = tf.keras.layers.Dense(3, activation="relu",
                     kernel_initializer="he_normal", name="layer1",input_shape=(3,))
        # 第二层：激活函数为relu,权重初始化为he_normal
        self.layer2 =tf.keras.layers.Dense(2, activation="relu",
                     kernel_initializer="he_normal", name="layer2")
        # 第三层（输出层）：激活函数为sigmoid,权重初始化为he_normal
        self.layer3 =tf.keras.layers.Dense(2, activation="sigmoid",
                     kernel_initializer="he_normal", name="layer3")
    # 在call方法中万完成前向传播
    def call(self, inputs):
        x = self.layer1(inputs)
        x = self.layer2(x)
        return self.layer3(x)
# 实例化模型
model = MyModel()
# 设置一个输入，调用模型（否则无法使用summay()）
x = tf.ones((1, 3))
y = model(x)

同样的我们也可以通过summay方法来查看模型构建的结果

2 神经网络的优缺点

2.1 优点

• 精度高，性能优于其他的机器学习方法，甚至在某些领域超过了人类
• 可以近似任意的非线性函数
• 随之计算机硬件的发展，近年来在学界和业界受到了热捧，有大量的框架和库可供调用

2.2 缺点

• 黑箱，很难解释模型是怎么工作的
• 训练时间长，需要大量的计算力
• 网络结构复杂，需要调整超参数
• 小数据集上表现不佳，容易发生过拟合

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3 总结

• 知道深度学习与机器学习的关系

深度学习是机器学习的一个子集，主要区别在是否包含特征工程

• 知道神经网络是什么

一种模仿生物神经网络结构和功能的 计算模型

• 知道常见的激活函数

默认使用relu，二分类是sigmoid, 多分类是softmaxs

• 知道参数初始化的常见方法

随机初始化，标准初始化，Xavier初始化，He初始化

• 能够利用tf.keras构建神经网络模型

Sequential的方法，Model的函数式编程，构建model的子类实现

• 了解神经网络的优缺点