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Python机器学习笔记（七、深度学习-神经网络）

article 2024/12/23 13:43:50

深度学习算法经过精确调整，只适用于特定的使用场景。先学习较为简单的深度学习算法，用于分类和回归的多层感知机（multilayer perceptron，MLP），它可以作为研究更复杂的深度学习方法的起点。MLP 也被称为（普通）前馈神经网络，也简称为神经网络。

1. 神经网络模型

MLP 被视为广义的线性模型，执行多层处理后得到结论。再回顾下线性回归的预测公式：

$\dot{y}=w[0]*x[0]+w[1]*x[1]+...+w[p]*x[p]+b$

ŷ 是输入特征 x[0] 到 x[p] 的加权求和，权重为学到的系数 w[0] 到 w[p]。将这个公式可视化：

import mglearn

s = mglearn.plots.plot_logistic_regression_graph()
s.render('output',view=True)

上图输出的是：Logistic 回归的可视化，其中输入特征和预测结果显示为结点，系数是结点之间的连线。图中，左边的每个结点代表一个输入特征，连线代表学到的系数，右边的结点代表输出，是输入的加权求和。

在 MLP 中，多次重复这个计算加权求和的过程，首先计算代表中间过程的隐单元（hidden unit），然后再计算这些隐单元的加权求和并得到最终结果：

import matplotlib.pyplot as plt
import mglearn

s = mglearn.plots.plot_single_hidden_layer_graph()
s.render('output1',view=True)

输出的图形是：单隐层的多层感知机图示。这个模型需要学习更多的系数（也叫作权重）：在每个输入与每个隐单元（隐单元组成了隐层）之间有一个系数，在每个隐单元与输出之间也有一个系数。

从数学的角度看，计算一系列加权求和与只计算一个加权求和是完全相同的，因此，为了让这个模型真正比线性模型更为强大，我们还需要一个技巧。在计算完每个隐单元的加权求和之后，对结果再应用一个非线性函数——通常是校正非线性（rectifying nonlinearity，也叫校正线性单元或 relu）或正切双曲线（tangens hyperbolicus，tanh）。然后将这个函数的结果用于加权求和，计算得到输出 ŷ。这两个函数的可视化效果我们下面代码实现。relu截断小于0的值，而 tanh 在输入值较小时接近 -1，在输入值较大时接近 +1。有了这两种非线性函数，神经网络可以学习比线性模型复杂得多的函数。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

line = np.linspace(-3, 3, 100)
plt.plot(line, np.tanh(line), label="tanh")
plt.plot(line, np.maximum(line, 0), label="relu")
plt.legend(loc="best")
plt.xlabel("x")
plt.ylabel("relu(x), tanh(x)")
plt.show()

输出可视化图：

上图是：双曲正切激活函数与校正线性激活函数

对于上上图所示的小型神经网络，计算回归问题的 $\hat{y}$ 的完整公式如下（使用 tanh 非线性）：

其中，w 是输入 x 与隐层 h 之间的权重，v 是隐层 h 与输出 $\hat{y}$ 之间的权重。权重 w 和 v 从数据中学习得到，x 是输入特征， $\hat{y}$ 是计算得到的输出，h 是计算的中间结果。需要设置的一个重要参数是隐层中的结点个数。对于非常小或非常简单的数据集，这个值可以小到 10；对于非常复杂的数据，这个值可以大到10 000。也可以添加多个隐层，如下面代码输出的可视化图所示：

import mglearn

s = mglearn.plots.plot_two_hidden_layer_graph()
s.render('output2', view=True)

上图是，有两个隐层的多层感知机。这些由许多计算层组成的大型神经网络，正是术语“深度学习”的灵感来源。

2. 神经网络调参

我们将 MLPClassifier 应用到前面用过的 two_moons 数据集上，以此学习 MLP 的工作原理。

import matplotlib.pyplot as plt
import mglearn
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import make_moons

X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.25, random_state=3)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, random_state=42)
mlp = MLPClassifier(solver='lbfgs', random_state=0).fit(X_train, y_train)
mglearn.plots.plot_2d_separator(mlp, X_train, fill=True, alpha=.3)
mglearn.discrete_scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], y_train)
plt.xlabel("Feature 0")
plt.ylabel("Feature 1")
plt.show()

输出图形：

上图是：包含 100 个隐单元的神经网络在 two_moons 数据集上学到的决策边界。如图所见，神经网络学到的决策边界完全是非线性的，但相对平滑。我们用到了 solver='lbfgs'，这一点稍后再学习讨论。默认情况下，MLP 使用 100 个隐结点，这对于这个小型数据集来说已经相当多了。我们可以减少其数量（从而降低模型复杂度），从下面调整后的输出来看，结果仍然很好：

import matplotlib.pyplot as plt
import mglearn
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import make_moons

X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.25, random_state=3)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, random_state=42)
mlp = MLPClassifier(solver='lbfgs', random_state=0, hidden_layer_sizes=[10])
mlp.fit(X_train, y_train)
mglearn.plots.plot_2d_separator(mlp, X_train, fill=True, alpha=.3)
mglearn.discrete_scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], y_train)
plt.xlabel("Feature 0")
plt.ylabel("Feature 1")
plt.show()

下面使用2个隐层，每个包含10个单元并使用默认的非线性relu：

import matplotlib.pyplot as plt
import mglearn
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import make_moons

X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.25, random_state=3)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, random_state=42)
# 使用2个隐层，每个包含10个单元
mlp = MLPClassifier(solver='lbfgs', random_state=0, hidden_layer_sizes=[10, 10])
mlp.fit(X_train, y_train)
mglearn.plots.plot_2d_separator(mlp, X_train, fill=True, alpha=.3)
mglearn.discrete_scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], y_train)
plt.xlabel("Feature 0")
plt.ylabel("Feature 1")

plt.show()

输出图形如下：

下面使用2个隐层，每个包含10个单元，但使用tanh非线性：

import matplotlib.pyplot as plt
import mglearn
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import make_moons

X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.25, random_state=3)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, random_state=42)
# 使用2个隐层，每个包含10个单元，使用tanh非线性
mlp = MLPClassifier(solver='lbfgs', activation='tanh', random_state=0, hidden_layer_sizes=[10, 10])
mlp.fit(X_train, y_train)
mglearn.plots.plot_2d_separator(mlp, X_train, fill=True, alpha=.3)
mglearn.discrete_scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], y_train)
plt.xlabel("Feature 0")
plt.ylabel("Feature 1")

plt.show()

最后，我们还可以利用 L2 惩罚使权重趋向于 0，从而控制神经网络的复杂度，正如前面在岭回归和线性分类器中学习的那样。MLPClassifier 中调节 L2 惩罚的参数是 alpha（与线性回归模型中的相同），它的默认值很小（弱正则化）。

下面我们使用不同 alpha 值观察对 two_ moons 数据集的影响，用的是2个隐层的神经网络，每层包含 10 个或 100 个单元：

import matplotlib.pyplot as plt
import mglearn
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import make_moons

X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.25, random_state=3)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, random_state=42)

fig, axes = plt.subplots(2, 4, figsize=(20, 8))
for axx, n_hidden_nodes in zip(axes, [10, 100]):
    for ax, alpha in zip(axx, [0.0001, 0.01, 0.1, 1]):
        mlp = MLPClassifier(solver='lbfgs', random_state=0,
        hidden_layer_sizes=[n_hidden_nodes, n_hidden_nodes], alpha=alpha)
        mlp.fit(X_train, y_train)
        mglearn.plots.plot_2d_separator(mlp, X_train, fill=True, alpha=.3, ax=ax)
        mglearn.discrete_scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], y_train, ax=ax)
        ax.set_title("n_hidden=[{}, {}]\nalpha={:.4f}".format(n_hidden_nodes, n_hidden_nodes, alpha))

plt.show()

输出结果：

上图可视化：不同隐单元个数与 alpha 参数的不同设定下的决策函数

现在已经认识到了，控制神经网络复杂度的方法有很多种：隐层的个数、每个隐层中的单元个数与正则化（alpha）。其实还有很多，自己学习。

神经网络的一个重要性质是，在开始学习之前其权重是随机设置的，这种随机初始化会影响学到的模型。也就是说，即使使用完全相同的参数，如果随机种子不同的话，我们也可能得到非常不一样的模型。如果网络很大，并且复杂度选择合理的话，那么这应该不会对精度有太大影响，但应该记住这一点（特别是对于较小的网络）。下面我们使用相同的参数设置对模型进行学习：

import matplotlib.pyplot as plt
import mglearn
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import make_moons

X, y = make_moons(n_samples=100, noise=0.25, random_state=3)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, random_state=42)

fig, axes = plt.subplots(2, 4, figsize=(20, 8))
for i, ax in enumerate(axes.ravel()):
    mlp = MLPClassifier(solver='lbfgs', random_state=i,
    hidden_layer_sizes=[100, 100])
    mlp.fit(X_train, y_train)
    mglearn.plots.plot_2d_separator(mlp, X_train, fill=True, alpha=.3, ax=ax)
    mglearn.discrete_scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], y_train, ax=ax)
plt.show()

上图输出的是：相同参数但不同随机初始化的情况下学到的决策函数。

为了在现实世界的数据上进一步理解神经网络，我们将 MLPClassifier 应用在乳腺癌数据集上。首先使用默认参数，先观察下数据特征：

from sklearn.datasets import load_breast_cancer

cancer = load_breast_cancer()
print("Cancer data per-feature maxima:\n{}".format(cancer.data.max(axis=0)))

输出：

Cancer data per-feature maxima:
[2.811e+01 3.928e+01 1.885e+02 2.501e+03 1.634e-01 3.454e-01 4.268e-01
2.012e-01 3.040e-01 9.744e-02 2.873e+00 4.885e+00 2.198e+01 5.422e+02
3.113e-02 1.354e-01 3.960e-01 5.279e-02 7.895e-02 2.984e-02 3.604e+01
4.954e+01 2.512e+02 4.254e+03 2.226e-01 1.058e+00 1.252e+00 2.910e-01
6.638e-01 2.075e-01]

使用MLP预测，看下训练集和测试集的精度：

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import load_breast_cancer

cancer = load_breast_cancer()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(cancer.data, cancer.target, random_state=0)
mlp = MLPClassifier(random_state=42)
mlp.fit(X_train, y_train)
print("Accuracy on training set: {:.2f}".format(mlp.score(X_train, y_train)))
print("Accuracy on test set: {:.2f}".format(mlp.score(X_test, y_test)))

输出：

Accuracy on training set: 0.94
Accuracy on test set: 0.92

MLP 的精度相当好，但没有其他模型好。原因可能在于数据的缩放。神经网络也要求所有输入特征的变化范围相似，最理想的情况是均值为 0、方差为 1。我们必须对数据进行缩放以满足这些要求。这里我们人工完成缩放，后面再学习使用 StandardScaler 自动完成：

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import load_breast_cancer

cancer = load_breast_cancer()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(cancer.data, cancer.target, random_state=0)

# 计算训练集中每个特征的平均值
mean_on_train = X_train.mean(axis=0)
# 计算训练集中每个特征的标准差
std_on_train = X_train.std(axis=0)
# 减去平均值，然后乘以标准差的倒数
# 如此运算之后，mean=0，std=1
X_train_scaled = (X_train - mean_on_train) / std_on_train
# 对测试集做相同的变换（使用训练集的平均值和标准差）
X_test_scaled = (X_test - mean_on_train) / std_on_train
mlp = MLPClassifier(random_state=0)
mlp.fit(X_train_scaled, y_train)
print("Accuracy on training set: {:.3f}".format(mlp.score(X_train_scaled, y_train)))
print("Accuracy on test set: {:.3f}".format(mlp.score(X_test_scaled, y_test)))

输出：

ConvergenceWarning: Stochastic Optimizer: Maximum iterations (200) reached and the optimization hasn't converged yet.
warnings.warn(
Accuracy on training set: 0.991
Accuracy on test set: 0.965

缩放之后的结果要好得多。不过模型给出了一个警告，告诉我们已经达到最大迭代次数，应该增加迭代次数：

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import load_breast_cancer

cancer = load_breast_cancer()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(cancer.data, cancer.target, random_state=0)

# 计算训练集中每个特征的平均值
mean_on_train = X_train.mean(axis=0)
# 计算训练集中每个特征的标准差
std_on_train = X_train.std(axis=0)
# 减去平均值，然后乘以标准差的倒数
# 如此运算之后，mean=0，std=1
X_train_scaled = (X_train - mean_on_train) / std_on_train
# 对测试集做相同的变换（使用训练集的平均值和标准差）
X_test_scaled = (X_test - mean_on_train) / std_on_train
mlp = MLPClassifier(max_iter=1000, random_state=0)
mlp.fit(X_train_scaled, y_train)
print("Accuracy on training set: {:.3f}".format(mlp.score(X_train_scaled, y_train)))
print("Accuracy on test set: {:.3f}".format(mlp.score(X_test_scaled, y_test)))

增加迭代次数后输出：

Accuracy on training set: 1.000
Accuracy on test set: 0.972

增加迭代次数训练集性能和泛化性能都有所提高。模型的表现相当不错。由于训练性能和测试性能之间仍有一些差距，所以我们可以尝试降低模型复杂度来得到更好的泛化性能。这里我们选择增大 alpha 参数（变化范围相当大，从 0.0001 到 1），以此向权重添加更强的正则化：

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import load_breast_cancer

cancer = load_breast_cancer()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(cancer.data, cancer.target, random_state=0)

# 计算训练集中每个特征的平均值
mean_on_train = X_train.mean(axis=0)
# 计算训练集中每个特征的标准差
std_on_train = X_train.std(axis=0)
# 减去平均值，然后乘以标准差的倒数
# 如此运算之后，mean=0，std=1
X_train_scaled = (X_train - mean_on_train) / std_on_train
# 对测试集做相同的变换（使用训练集的平均值和标准差）
X_test_scaled = (X_test - mean_on_train) / std_on_train
mlp = MLPClassifier(max_iter=1000, alpha=1, random_state=0)
mlp.fit(X_train_scaled, y_train)
print("Accuracy on training set: {:.3f}".format(mlp.score(X_train_scaled, y_train)))
print("Accuracy on test set: {:.3f}".format(mlp.score(X_test_scaled, y_test)))

输出：

Accuracy on training set: 0.988
Accuracy on test set: 0.972

从结果来看，训练性能反而减低了，泛化性能没有变化。

虽然可以分析神经网络学到了什么，但这通常比分析线性模型或基于树的模型更为复杂。要想观察模型学到了什么，一种方法是查看模型的权重。可以在 scikit-learn 示例库中查看这样的一个示例（http://scikit-learn.org/stable/auto_examples/neural_networks/plot_mnist_ filters.html）。对于乳腺癌数据集，这可能有点难以理解。下面代码输出的图形显示了连接输入和第一个隐层之间的权重。图中的行对应 30 个输入特征，列对应 100 个隐单元。浅色代表较大的正值，而深色代表负值：

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import load_breast_cancer

cancer = load_breast_cancer()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(cancer.data, cancer.target, random_state=0)

# 计算训练集中每个特征的平均值
mean_on_train = X_train.mean(axis=0)
# 计算训练集中每个特征的标准差
std_on_train = X_train.std(axis=0)
# 减去平均值，然后乘以标准差的倒数
# 如此运算之后，mean=0，std=1
X_train_scaled = (X_train - mean_on_train) / std_on_train
# 对测试集做相同的变换（使用训练集的平均值和标准差）
X_test_scaled = (X_test - mean_on_train) / std_on_train
mlp = MLPClassifier(max_iter=1000, alpha=1, random_state=0)
mlp.fit(X_train_scaled, y_train)
plt.figure(figsize=(20, 5))
plt.imshow(mlp.coefs_[0], interpolation='none', cmap='viridis')
plt.yticks(range(30), cancer.feature_names)
plt.xlabel("Columns in weight matrix")
plt.ylabel("Input feature")
plt.colorbar()
plt.show()

输出：

上图是：神经网络在乳腺癌数据集上学到的第一个隐层权重的热图。

我们可以推断，如果某个特征对所有隐单元的权重都很小，那么这个特征对模型来说就 “不太重要”。可以看到，与其他特征相比，“mean smoothness” “mean compactness”以及 “smoothness error”和“fractal dimension error”之间的特征的权重都相对较小。这可能说明这些特征不太重要，也可能是我们没有用神经网络可以使用的方式来表示这些特征。我们还可以将连接隐层和输出层的权重可视化，但它们更加难以解释。

虽然 MLPClassifier 和 MLPRegressor 为最常见的神经网络架构提供了易于使用的接口，但它们只包含神经网络潜在应用的一部分。如果有兴趣使用更灵活或更大的模型，建议你看一下除了 scikit-learn 之外的深度学习库。对于 Python 用户来说，最为完善的是 keras、lasagna 和 tensor-flow。lasagna 是基于 theano 库构建的，而 keras 既可以用 tensor-flow 也可以用 theano。这些库提供了更为灵活的接口，可以用来构建神经网络并跟踪深度学习研究的快速发展。所有流行的深度学习库也都允许使用高性能的图形处理单元（GPU），而 scikit-learn 不支持 GPU。使用 GPU 可以将计算速度加快 10 到 100 倍，GPU 对于将深度学习方法应用到大型数据集上至关重要。

3. 优点、缺点和参数

神经网络的主要优点之一是能够获取大量数据中包含的信息，并构建无比复杂的模型。给定足够的计算时间和数据，并且仔细调节参数，神经网络通常可以打败其他机器学习算法（无论是分类任务还是回归任务）。神经网络（特别是功能强大的大型神经网络）通常需要很长的训练时间。它还需要仔细地预处理数据。与 SVM 类似，神经网络在“均匀”数据上的性能最好，其中“均匀”是指所有特征都具有相似的含义。如果数据包含不同种类的特征，那么基于树的模型可能表现得更好。神经网络调参本身也是一门艺术。调节神经网络模型和训练模型的方法有很多种，需要再深入学习。

估计神经网络的复杂度。最重要的参数是层数和每层的隐单元个数。应该首先设置 1 个或 2 个隐层，然后可以逐步增加。每个隐层的结点个数通常与输入特征个数接近，但在几千个结点时很少会多于特征个数。

在考虑神经网络的模型复杂度时，一个有用的度量是学到的权重（或系数）的个数。如果有一个包含 100 个特征的二分类数据集，模型有 100 个隐单元，那么输入层和第一个隐层之间就有 100 * 100 = 10 000 个权重。在隐层和输出层之间还有 100 * 1 = 100 个权重，总共约 10 100 个权重。如果添加含有 100 个隐单元的第二个隐层，那么在第一个隐层和第二个隐层之间又有 100 * 100 = 10 000 个权重，总数变为约 20 100 个权重。如果使用包含 1000 个隐单元的单隐层，那么在输入层和隐层之间需要学习 100 * 1000 = 100 000 个权重，隐层到输出层之间需要学习 1000 * 1 = 1000 个权重，总共 101 000 个权重。如果再添加第二个隐层，就会增加 1000 * 1000 = 1 000 000 个权重，总数变为巨大的 1 101 000 个权重，这比含有 2 个隐层、每层 100 个单元的模型要大 50 倍。

神经网络调参的常用方法是，首先创建一个大到足以过拟合的网络，确保这个网络可以对任务进行学习。知道训练数据可以被学习之后，要么缩小网络，要么增大 alpha 来增强正则化，这可以提高泛化性能。

在上面的学习中，主要关注模型的定义：层数、每层的结点个数、正则化和非线性。这些内容定义了我们想要学习的模型。还有一个问题是，如何学习模型或用来学习参数的算法，这一点由 solver 参数设定。solver 有两个好用的选项。默认选项是 'adam'，在大多数情况下效果都很好，但对数据的缩放相当敏感（因此，始终将数据缩放为均值为 0、方差为 1 是很重要的）。另一个选项是 'lbfgs'，其鲁棒性相当好，但在大型模型或大型数据集上的时间会比较长。还有更高级的 'sgd' 选项，许多深度学习研究人员都会用到。'sgd' 选项还有许多其他参数需要调节，以便获得最佳结果。可以学习官方用户指南文档。当刚开始学习使用 MLP 时，建议使用 'adam' 和 'lbfgs'。

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http://www.kler.cn/a/444059.html