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TensorFlow-keras介绍(一)

article 2024/11/15 13:46:25

一.回顾神经网络

1.神经网络

2.感知机

3.神经网络原理

1.softmax回归

2.交叉熵

二.Keras介绍

1.Keras框架的特点

2.使用tf.keras进行模型构建

1.使用Sequential构建模型

2.利用keras提供的API建立较为复杂的模型

3.model的子类进行创建

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一.回顾神经网络

1.神经网络

人工神经网络（ Artificial Neural Network，简写为ANN）也简称为神经网络（NN）。是一种模仿生物神经网络（动物的中枢神经系统，特别是大脑）结构和功能的计算模型。经典的神经网络结构包含三个层次的神经网络。分别输入层，输出层以及隐藏层。

其中没层的圆圈代表一个神经元，隐藏层和输出层的神经元由输入的数据计算后输出，输入层的神经元只有输入。

神经网络特点：1.每个连接都有一个权值，2.同一层神经元之间没用连接，3.最后的输出结果对应的层也叫全连接层

2.感知机

感知机是模拟大脑神经网络处理数据的过程，每个数据计算权重加上偏置后在经过一个函数处理

3.神经网络原理

神经网络的主要用途在于分类，分类又分为二分类和多分类。

神经网络在解决多分类问题最常用的方法是设置n个节点，其中n为类别个数

任何事件发生的概率都在0和1之间，且总又某一个事件发生。如果将分类问题中的"一个样例属于一个某一个类别"看成一个概率事件，那么训练数据的正确答案就符合一个概率分布，如何将神经网络向前传播得到的结果也变成了概率分布？Softmax回归就是一个常用的方法

1.softmax回归

Softmax回归将神经网络输出转换成概率结果，数据结果权重和偏置计算后，softmax函数会将所有的结果当作e的指数后作为分母，分子是一个结果当成e的指数的值，那么所有结果都转换成了0-1之间的值，也就是概率

这样就把神经网络的输出变成一个概率输出了，那么如何计算神经网络计算的结果和真实结果之间的误差呢？

2.交叉熵

为了衡量距离，目标值需要进行one-bot编码(比如又十个类别，而这个结果是第五个类别，那么编码后就是[0,0,0,0,1,0,0,0,0,0])，能与概率值一一对应

那么带入公式后的损失就是：

0log(0.10)+0log(0.05)+0log(0.15)+0log(0.10)+0log(0.05)+0log(0.20)+1log(0.10)+0log(0.05)+0log(0.10)+0log(0.10)

因为除了这个样本所属的类别结果为1以外，其他的结果都为0。所有损失为1*log(0.10)，那么为了减少这个损失，需要将这个值变小，也就是将log中的0.10变大，也就是训练的时候将这个概率变大的情况来训练权重和偏置。从而提高目标值为1的位置的概率大小

二.Keras介绍

Keras是一个用python编写的开源神经库，能够运行在TensorFlow，Micsrosoft， Toolkit,Theano或PlaidML之上，kerea是单独是深度学习框架，一些代码用到了Tnesorflow的API,但在TensorFlow1.9新增加了tf.kerea。Keras与TF的深度集成。

1.Keras框架的特点

1.用户友好：keras提供了简洁，一致的API，使用户可以轻松定义，训练，评估深度学习模型，无论是初学者还是经验丰富的研究人员都可以轻松入手。

2.模块化和可组合性：Keras通过模块化的方式组织深度学习模型，用户可以根据自己的需求选择不同的层、激活函数、优化器等组件，并简单地将它们组合在一起构建复杂的模型。

3.支持多种深度学习库：Keras可以基于多种底层深度学习库进行计算，包括TensorFlow、Theano和CNTK。这使得用户可以根据自己的偏好和需求选择底层库，并无缝地切换。

4.丰富的文档和社区支持：Keras拥有丰富的文档和活跃的社区，用户可以轻松找到各种教程、示例代码和解决方案，以及与其他用户交流和讨论。

2.使用tf.keras进行模型构建

1.简单模型使用Sequential进行构建

2.复杂模型使用函数式变形构建

3.自定义Layers(model的子类)构建

1.使用Sequential构建模型

tf。keras是一个神经网络库，我们可以用它构建相应的神经网络。其中简单的神经网络如人工神经网络ANN这样简单的模型，可以用Sequential构建

tf.keras.Sequenial模型是层的线性推叠，它的构造函数会采用一系列层实例：

如图所示，可以构造2个隐层，没层五个神经元。一个输出层，包括4个预测点。

Dense用来创建层和没层的神经元个数

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras import utils
from tensorflow.keras.layers import Dense

model=Sequential([
    # 第一个隐层层，5个神经元，使用rule函数，input_shape是数据形状
    Dense(5,activation="rule",input_shape=(3，)),
    # 第二个隐藏层
    Dense(5,activation='rule'),
    # 输出层，4个分类激活函数使用softmax
    Dense(4,activation='softmax')
],
    # 为这个取一个名字
    name='notwork'
)

model.summary()

# 这个函数将画出模型结构图并保存图片，
# to_file：保存路径，show_shapes：指定是否显示数据的形状，默认为False，show_layer_names:指定是否显示层名称默认为True
utils.plot_model(model, to_file='model.png', show_shapes=True, show_dtype=True,show_layer_names=True)

2.利用keras提供的API建立较为复杂的模型

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import keras
from tensorflow.keras.layers import layers

# 定义模型的数据输入
Input_Layer=keras.Input(shape=(3,),name="input_1")
# 第一个隐藏层
X1=layers.Dense(5,activation='relu',name='Layer1')(Input_Layer)
# 第二个隐藏层
X2=layers.Dense(5,activation='relu',name='Layer2')(X1)

# 输出层
Output_Layer = layers.Dense(4, activation ="softmax", name="Output")(X2)

# 创建模型
model=keras.Model(inputs=Input_Layer,outputs=Output_Layer,name="Model_1")

model.summary()

3.model的子类进行创建

通过model的子类构建模型，在__init__中定义神经网络的层，在call方法中一定网络的向前传播方法。

import tensorflow as tf
import tensorflow.keras as keras
import tensorflow.keras.layers as layers


class My_Models(keras.Model):
    # 定义网络层结构
    def __init__(self):
        super(My_Models, self).__init__()
        # 第一个隐藏层
        self.layer1 = layers.Dense(5, activation="relu", name="Layer1")
        # 第二个隐藏层
        self.layer2 = layers.Dense(5, activation="relu", name="Layer2")
        # 定义输出层
        self.output_layer = layers.Dense(4, activation="softmax", name="Output")

    # 定义网络的前向传播
    def __call__(self, inputs):
        x = self.layer1(inputs)
        x = self.layer2(x)
        outputs = self.output_layer(x)
        return outputs


# 实例化
model1 = My_Models()
# 设置输入
x = tf.ones((1, 4))
y = model1(x)