Tensorflow學習之建造神經網絡

經過前期的學習，這一節來學習稍微綜合一點的，建造一個完整的神經網絡，包括添加神經層,計算誤差,訓練步驟,判斷是否在學習。

添加層

構造添加一個神經層的函數。

def add_layer(inputs, in_size, out_size, activation_function=None):
    Weights = tf.Variable(tf.random_normal([in_size, out_size]))
    biases = tf.Variable(tf.zeros([1, out_size]) + 0.1)
    Wx_plus_b = tf.matmul(inputs, Weights) + biases
    if activation_function is None:
        outputs = Wx_plus_b
    else:
        outputs = activation_function(Wx_plus_b)
    return outputs

導入數據

構建所需的數據。 這裏的x_data和y_data並不是嚴格的一元二次函數的關係，因爲我們多加了一個noise,這樣看起來會更像真實情況。

x_data = np.linspace(-1,1,300, dtype=np.float32)[:, np.newaxis]
noise = np.random.normal(0, 0.05, x_data.shape).astype(np.float32)
y_data = np.square(x_data) - 0.5 + noise

利用佔位符定義我們所需的神經網絡的輸入。 tf.placeholder()就是代表佔位符，這裏的None代表無論輸入有多少都可以，因爲輸入只有一個特徵，所以這裏是1。

xs = tf.placeholder(tf.float32, [None, 1])
ys = tf.placeholder(tf.float32, [None, 1])

接下來，我們就可以開始定義神經層了。 通常神經層都包括輸入層、隱藏層和輸出層。這裏的輸入層只有一個屬性， 所以我們就只有一個輸入；隱藏層我們可以自己假設，這裏我們假設隱藏層有10個神經元； 輸出層和輸入層的結構是一樣的，所以我們的輸出層也是隻有一層。 所以，我們構建的是——輸入層1個、隱藏層10個、輸出層1個的神經網絡。

搭建網絡

下面，我們開始定義隱藏層,利用之前的add_layer()函數，這裏使用 Tensorflow 自帶的激勵函數tf.nn.relu。

l1 = add_layer(xs, 1, 10, activation_function=tf.nn.relu)

接着，定義輸出層。此時的輸入就是隱藏層的輸出——l1，輸入有10層（隱藏層的輸出層），輸出有1層。

prediction = add_layer(l1, 10, 1, activation_function=None)

計算預測值prediction和真實值的誤差，對二者差的平方求和再取平均。

loss = tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(tf.square(ys - prediction),
                     reduction_indices=[1]))

接下來，是很關鍵的一步，如何讓機器學習提升它的準確率。tf.train.GradientDescentOptimizer()中的值通常都小於1，這裏取的是0.1，代表以0.1的效率來最小化誤差loss。

train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1).minimize(loss)

使用變量時，都要對它進行初始化，這是必不可少的。

# init = tf.initialize_all_variables() # tf 馬上就要廢棄這種寫法
init = tf.global_variables_initializer()  # 替換成這樣就好

定義Session，並用 Session 來執行 init 初始化步驟。 （注意：在tensorflow中，只有session.run()纔會執行我們定義的運算。）

sess = tf.Session()
sess.run(init)

訓練

下面，讓機器開始學習。

比如這裏，我們讓機器學習1000次。機器學習的內容是train_step, 用 Session 來 run 每一次 training 的數據，逐步提升神經網絡的預測準確性。 (注意：當運算要用到placeholder時，就需要feed_dict這個字典來指定輸入。)

for i in range(1000):
    # training
    sess.run(train_step, feed_dict={xs: x_data, ys: y_data})
每50步我們輸出一下機器學習的誤差。

    if i % 50 == 0:
        # to see the step improvement
        print(sess.run(loss, feed_dict={xs: x_data, ys: y_data}))

完整代碼：

import tensorflow as tf
import numpy as np

# 構造添加神經層函數
def add_layer(inputs, in_size, out_size, activation_function=None):
    Weights = tf.Variable(tf.random_normal([in_size, out_size]))
    biases = tf.Variable(tf.zeros([1, out_size]) + 0.1)
    Wx_plus_b = tf.matmul(inputs, Weights) + biases
    if activation_function is None:
        outputs = Wx_plus_b
    else:
        outputs = activation_function(Wx_plus_b)
    return outputs

x_data = np.linspace(-1, 1, 300, dtype=np.float32)[:, np.newaxis]
noise = np.random.normal(0, 0.05, x_data.shape).astype(np.float32)
y_data = np.square(x_data) - 0.5 + noise


# 定義佔位符
xs = tf.placeholder(tf.float32, [None, 1])
ys = tf.placeholder(tf.float32, [None, 1])


# 假設一個輸入層，十個隱藏層，一個輸出層
l1 = add_layer(xs, 1, 10, activation_function=tf.nn.relu)

# 定義輸出層
prediction = add_layer(l1, 10, 1, activation_function=None)

# 計算預測值prediction和真實值的誤差，對二者差的平方求和再取平均
loss = tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(tf.square(ys - prediction), reduction_indices=[1]))

# 梯度下降
train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1).minimize(loss)

# 初始化變量
init = tf.global_variables_initializer()

# Session
sess = tf.Session()
sess.run(init)

# 機器開始學習
for i in range(1000):
    # training
    if i % 50 == 0:
    # to see the step improvement 
    print(sess.run(train_step, feed_dict={xs:x_data,ys:y_data}))
    

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注：本文轉載自莫煩說TensorFlow