Tensorflow笔记_人工智能基础知识
1：人工智能的基础及其含义
2：神经网络基础
3：神经网络八股
1：人工智能：机器模拟人的意思跟思维
2：机器学习：实现人工智能的一种方法，是人工智能的子集
3：深度学习：是深层次的神经网络，是机器学习的一种实现的方法，是机器学习的子集
4：机器学习的定义：如果一个程序可以在人物T上，随着经验E的增加，效果P随之增加，这个程序可以从经验中学习
5：机器学习的过程/单个神经元
1：用 张量 表示数据
2：用 计算图 搭建神经网络
3：用 会话 执行计算图
# 1 张量( tensor )
- 多维数组（列表），用"阶"表示张量的维数，张量可以表示0阶到N阶数组
- 判断张量是几阶的：通过张量游标的方括号数，0个就是0阶，n个就是n阶
维数 阶 名字 例子 0-D 0 标量 scalar s = 123 1-D 1 向量 vector v = [1,2,3] 2-D 2 矩阵 matrix m = [[1,2,3],[4,5,6]] n-D n 张量 tensor t =[[[....]]]
# 2 计算图
- 搭建神经网络的计算过程，只搭建，不运算
- 计算图只描述运算过程，不计算运算的结果
- tf.constant 定义常数
- 在tensorflow中的数据的类型有 浮点型：tf.float32 整形：tf.int32
# 实现Tensorflow
# vim中编辑 import tensorflow as tf a = tf.constant([1.0,2.0]) # 定义一个张量a的值为常数1.0 2.0 b = tf.constant([3.0,4.0]) # 定义一个张量b的值为常数3.0 4.0 result = a + b print result # 在终端中输出结果 python tf3_1.py # 输出的结果为（显示的结果为一个张量，但没有输出运算结果） Tensor("add:0", shape=(2,), dtype=float32) # add:节点名 0:第0个输出 shape:维度 2:一维数组的长度为2 dtype=float32数据类型为浮点型# 搭建计算图
x1,x2表示输入，w1,w2分别是x1到y和x2到y的权重，y = x1 * w1 + x2 * w2
实现上方的计算图
import tensorflow as tf x = tf.constant([[1.0, 2.0]]) # 定义一个 2 阶张量等于[[1.0,2.0]] w = tf.constant([[3.0], [4.0]]) # 定义一个 2 阶张量等于[[3.0],[4.0]] y = tf.matmul(x, w) 矩阵乘法 print y
# 输出显示的结果表示y是一个张量，只搭建承载计算过程的计算图，并没有运算，可利用Session()来得到计算结果（看下方会话）# 3 会话（ Session ）：
会话：执行图中节点运算
import tensorflow as tf x = tf.constant([[1.0,2.0]]) w = tf.constant([3.0],[4.0]]) y = tf.matmul(x,w) # y是x和w的矩阵乘法 print y with tf.Session() as sess: print sess.run(y) # sess.run(y) 要执行计算结果 执行y运算 # 执行后的结果 # doaoao@ubuntu:~/tf$ python tf3_4.py Tensor("MatMul:0", shape=(1, 1), dtype=float32) # 表示y是一个张量 [[11.]] # 执行后的结果 # 计算过程1.0*3.0 + 2.0*4.0 = 11.0# 注：修改Tensorflow的配置文件（让Tensorflow的提示等级降低）
doaoao@ubuntu:~/tf$ vim ~/.bashrc #打开其配置文件 doaoao@ubuntu:~/tf$ source ~/.bashrc # 让所修改的配置生效 # 在配置文件中加入 export TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL=2# 4 参数
参数：即神经元线上的权重 W ，用变量表示，随机给初始值
w = tf.Variable(tf.random_normal([2,3], stddev=2, mean=0, seed=1)) # 生成随机数 将生成的方式写在括号中 # 后三个如果没有特殊要求，可以不写 # tf.random_normal :表示生成正态分布的随机数 # [2,3] ：产生2*3的矩阵 两行三列 # stddev=2 ：标准差为2 # mean=0 ：均值为0 # seed=1 : 随机种子（如果将随机种子去掉，每次生成的随机数将不一致） # tf.truncated_normal # 生成去掉过大偏离点的正态分布 # 如果随机出来的数，偏离平均值超过两个标准差，这个数据将重新生成 # tf.random_uniform() 生成均匀分布的随机数tf.zeros 全0的数组 tf.zeros([3,2],int32) 生成 [[0,0],[0,0],[0,0]] tf.ones 全1的数组 tf.ones([3,2],int32) 生成 [[1,1],[1,1],[1,1]] tf.fill 全定值的数组 tf.fill([3,2],6) 生成 [[6,6],[6,6],[6,6]] tf.constant 直接给出数组的值 tf.constant([3,2,1]) 生成 [3,2,1]# 5 神经网络的实现过程（前三个步骤为训练过程，第四步为使用过程）
- 准备数据集，提取特征，作为输入喂给神经网络
- 包括数据集的特征，包括数据集的标签（如零件是否合格）
- 搭建NN结构，从输入到输出（先搭建计算图，在用会话执行）
- ( NN前向传播法 -> 计算输出 ）
- 大量特征数据为给NN，迭代优化参数
- ( NN 反向传播法 -> 优化参数训练模型 )
- 将大量数据喂给神经网络，得到大量输出，将每次输出与标准答案的差传给神经网络，知道模型达到要求
- 使用训练好的模型训练和分类
# 6 前向传播（搭建模型，实现推理）
前向传播就是搭建模型的计算过程，让模型具有推理能力，可以针对一组输入给出相应的输出
例如：生产一批零部件，将体积为x，重量为y的特征输入NN，当体积和总量通过NN后输出一个数值
由搭建的神经网络可得，隐藏层节点 a11 = x1* w11+x2*w21=0.14+0.15=0.29，也可算得节点 a12 = 0.32，a13 = 0.38，最终计算得到输出层 Y = -0.015，这便实现了 前向传播过程
# 第一层
1：用x表示输入，是一个一行两列的矩阵，表示一次输入一组特征，这组特征包含了体积和重量两个元素
2：W 前节点编号，后节点编号 (层数) 为待优化参数，第一层的w前面有两个节点（x1,x2），后面有三个节点（a11,a22,a13），w是个两行三列的矩阵，可以表示为
3：神经网络共有几层（或当前属于第几层）都是指的是计算层，输入层不算是计算层，所以a为第一层网络，a是一个一行三列的矩阵
# 第二层
1：第二层w前面有三个节点，后面有一个节点，所以W(2)是一个三行一列的矩阵，可表示为如下
1：变量的初始化，计算图节点运算都要用会话（wish结构）实现
wish tf.Session() as sess: sess.run()2：变量的初始化：在sess.run函数中用 tf.global_varlables_initiallzer() 汇总所有的变量
init_op = tf.global_varlables_initiallzer() sess.run(init_op)3：计算图节点运算：在sess.run函数中，写入待运算的节点
sess.run(y)4：先用tf.placeholder 帮输入占位，在sess.run 函数中用feed_dict 喂数据
# 喂一组数据 # 1表示喂入一组数据 2表示喂入数据的特征有几个（比如重量体积有两个特征） x = tf.placeholder(tf.float,shape=(1,2)) sess.run(y,feed_dict={x: [[0.5,0.6]]}) # 一次性喂多组数据 # None 表示先空着 x = tf.placeholder(tf.float,shape=(None,2)) sess.run(y,feed_dict={x: [[0.1,0.2],[0.3,0.4]]})# 向神经网络中国写入特定的值
#coding:utf-8 import tensorflow as tf
# 定义输入和参数 x = tf.constant([[0.7,0.5]]) # 定义体积和参数 w1 = tf.Variable(tf.random_normal([2,3],stddev=1,seed=1)) # 2行3列的正态分布随机数矩阵，标准差为1，随机种子为1 w2 = tf.Variable(tf.random_normal([3,1],stddev=1,seed=1))
# 定义前向传播的过程 a = tf.matmul(x,w1) # x与w1的矩阵乘法 y = tf.matmul(a,w2) # a与w2的矩阵乘法
# 用会话计算结果 with tf.Session() as sess: init_op = tf.global_variables_initializer() # 将初始化所有变量的函数简写为 init_op sess.run(init_op) print "y in tf3_5.py is :\n",sess.run(y)# 向神经网络中喂入一组数据（特征）
#coding:utf-8 import tensorflow as tf
# 定义输入和参数
# 用placeholder实现输入定义（喂入一组特征 shape中的第一个参数为1） x = tf.placeholder(tf.float32,shape=(1,2)) w1 = tf.Variable(tf.random_normal([2,3],stddev=1,seed=1)) w2 = tf.Variable(tf.random_normal([3,1],stddev=1,seed=1))
# 定义向前传播过程 a = tf.matmul(x,w1) y = tf.matmul(a,w2)
# 用会话计算结果 with tf.Session() as sess: init_op = tf.global_variables_initializer() sess.run(init_op) print "y in tf3_5.py is :\n",sess.run(y,feed_dict={x: [[0.7,0.5]]})# 向神经网络喂入多组数据（特征）
#coding:utf-8 import tensorflow as tf # 定义输入和参数 # 利用placeholder 定义输入 (sess.run 喂入多组数据)（因为不知道喂入多少组，所以shape中的第一个参数为None） x = tf.placeholder(tf.float32,shape=(None,2)) w1 = tf.Variable(tf.random_normal([2,3],stddev=1,seed=1)) w2 = tf.Variable(tf.random_normal([3,1],stddev=1,seed=1)) #定义向前传播的过程 a = tf.matmul(x,w1) y = tf.matmul(a,w2) # 调用会话计算结果 with tf.Session() as sess: init_op = tf.global_variables_initializer() sess.run(init_op)
# 第一组喂体积0.7重量0.5，第二组喂体积0.2重量0.3.... print "y in tf3_5.py is :\n",sess.run(y,feed_dict={x: [[0.7,0.5],[0.2,0.3],[0.3,0.4],[0.4,0.5]]}) print "w1:\n", sess.run(w1) # 可以查看随机生成的w1 print "w2:\n", sess.run(w2) # 可以查看随机生成的w2# 7 反向传播
1：反向传播：训练模型参数，在所有的参数上用梯度下降，使NN模型在训练的数据上的损失函数最小
2：反向传播的训练方法：以减小loss值为优化的目标
3：损失函数（loss）：预测值（y）与已知的答案（y_）的差距
4：均方误差MSE：求向前传播计算结果与已知答案之差的平方再求平均
用tensorflow函数表示为：loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_-y)) //已知答案减去前向传播计算出来的结果
5：反向传播的训练方法：以减小loss值为优化目标（训练时选择下方其中一个即可）
# 梯度下降
strain_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(losss)
# Momenttum优化器
strain_step = train.MomenttumOptimizer(learning_rate,momentum).minimize(loss)# Adam优化器
strain_stept = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(lose)
# 三种优化器的区别
1：梯度下降法，使用梯度下降法，使参数沿着梯度的反方向，即总损失减小的方向移动，实现更新参数
2：monenttum优化器，在更新参数时，利用了超参数
3：Adam优化器，利用自适应学习率的优化算法，Adam算法和随机梯度下降算法不同。
随机梯度下降算法保持单一的学习率更新所有的参数，学习率在训练过程中并不会改变。
而 Adam 算法通过计算梯度的一阶矩估计和二 阶矩估计而为不同的参数设计独立的自适应性学习率。# 上方的优化器都需要一个称为学习率的参数 learning_rate
6：学习率 learning_rate ：决定参每次的更新幅度，使用时可以选择一个比较小的值填入神经网络的实现过程
（学习率过大：震荡不收敛情况 学习率过小：会出现收敛速度慢情况）
7：神经网络的实现过程
7.1：准备数据集，提取特征，作为输入喂给神经网络
7.2：搭建神经网络结构，从输入到输出（先搭建计算图，在用会话执行）（神经网络前向传播算法->计算输出
7.3：大量的数据特征喂给神经网络，迭代优化神经网络参数（神经网络反向传播->优化训练模型）
7.4：使用训练号的模型进行预测和分类
1：准备
# import相关模块 # 常量的定义 # 生成数据集
2：前向传播：定义输入 定义输出
Y = （数据集的标签）
x =（输入参数）
y_ = （标准答案）
w1 = （第一层网络的参数）
w2 = （第二层网络的参数）
a = （先用矩阵乘法求出 a）
y = （定义推理过程 用矩阵乘法求出 y）
3：反向传播：定义损失函数，反向传播的方法
loss= （定义损失函数）
train_step= （反向传播方法）
4：生成会话 训练STEPS轮
在with中完成迭代
# coding:utf-8 # 导入模块 生成模拟的数据集 import tensorflow as tf # 导入numpy模块 python的科学计算模块 import numpy as np # 一次喂入神经网络多少组数据 不能过大 BATCH_SIZE = 8 seed = 23455 # 基于seed产生的随机数 rng = np.random.RandomState(seed) # 随机数返回32行2列的矩阵 表示具有32组 具有两种特征（体积 重量） # 作为输入的数据集 X = rng.rand(32,2) # 从这个32行２列的矩阵中 取出一行 判断如果小于１ 给Ｙ赋值1 否则给Y赋值０ # Y 作为输入数据集的标签（输入数据集的正确答案） 体积 + 重量 < 1为合格（因为没有数据，所以这样标记） Y = [[int(x0 + x1 < 1)] for (x0, x1) in X] print "X:\n",X print "Y:\n",Y # 定义神经网络的 输入 参数 输出 定义向前传播的过程 x = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2)) # 正确答案的标签（每个标签只有一个元素 合格或者不合格） y_ = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 1)) # w1（两行三列） 对应x w2（三行一列） 对应y w1 = tf.Variable(tf.random_normal([2, 3],stddev=1, seed=1)) w2 = tf.Variable(tf.random_normal([3, 1],stddev=1, seed=1)) # 前向传播的计算过程描述 用矩阵乘法实现 a = tf.matmul(x, w1) y = tf.matmul(a, w2) # 定义损失函数loss 及反向传播方法
# 使用均方误差计算loss
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y-y_)) # 将其学习率设置为0.001 (下方使用的为梯度下降) train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.001).minimize(loss) # 生成回话 训练STEPS轮 with tf.Session() as sess: init_op = tf.global_variables_initializer() sess.run(init_op) # 打印优化前的参数 w1 w2 print "w1:\n",sess.run(w1) print "w2:\n",sess.run(w2) print "\n" # 训练模型 STEPS = 3000 for i in range(STEPS): start = (i*BATCH_SIZE) % 32 end = start + BATCH_SIZE # 抽取相应的数据集 从start 到 end 的特征和标签，喂入神经网络 sess.run(train_step, feed_dict={x: X[start:end],y_: Y[start:end]}) if i % 500 == 0: total_loss = sess.run(loss, feed_dict={x:X,y_:Y}) print ("After %d,%g" % ( i,total_loss)) # 输出训练后的参数值 print "\n" print "w1:\n",sess.run(w1) print "w2:\n",sess.run(w2)...
...
