【机器学习】P14 Tensorflow 使用指南 Dense Sequential Tensorflow 实现

Tensorflow 第一节：使用指南

• Tensorflow 安装
• 神经网络
• • 一些基本概念
  • 隐藏层和输出层：
  • 神经元的输出公式
• Tensorflow 全连接层 Dense 与 顺序模型 Sequential
• • Dense Layer
  • Sequential Model
• 代码实现一个神经网络
• • 实现方式一：手写神经网络
  • * 实现方式二：Tensorflow

Tensorflow 安装

有关 Tensorflow/CUDA/cuDNN 安装，见博客：https://xu-hongduo.blog.csdn.net/article/details/129927665

神经网络

一些基本概念

• 上图中包含输入层、隐藏层、输出层；
• 其中输入层为 layer 0，输入到网络中的内容为 $\vec{x}$；
• 其中隐藏层有三层，layer 1，layer 2，layer 3；
• 其中输出层为 layer 4，输出内容为 ${\vec{a}}^{[4]}$；
• 如果需要统计该神经网络有多少层，则统计为：$$神经网络层数=隐藏层个数+输出层个数=3+1=4$$

隐藏层和输出层：

• 关于隐藏层 layer 1
  • 隐藏层 layer 1 中包含四个神经元，其中每个神经元的输入为：$\vec{x}$；
  • 隐藏层 layer 1 的输出为 ${\vec{a}}^{[1]}$，一个包含四个元素的矩阵，分别为 layer 1 中四个神经元输出的结果；
• 关于隐藏层 layer 2
  • 隐藏层 layer 2 中包含五个神经元，其中每个神经元的输入为：${\vec{a}}^{[1]}$；
  • 隐藏层 layer 2 的输出为 ${\vec{a}}^{[2]}$，一个包含五个元素的矩阵，分别为 layer 2 中五个神经元输出的结果；
• 关于隐藏层 layer 3
  • 隐藏层 layer 3 中包含三个神经元，其中每个神经元的输入为：${\vec{a}}^{[2]}$；
  • 隐藏层 layer 3 的输出为 ${\vec{a}}^{[3]}$，一个包含三个元素的矩阵，分别为 layer 3 中三个神经元输出的结果；
• 关于输出层 layer 4
  • 输出层 layer 4 中只有一个神经元，需要注意的是，输出层不限制神经元的个数，而是根据具体情况进行分析，从而规定神经元的数量。
  • 输出层的输入为：一个包含三个元素的矩阵 ${\vec{a}}^{[3]}$；输出为一个值 $a^{[4]}$，当 $a^{[4]}\ge 0.5$ 时，表示结果为真，否则为假；

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神经元的输出公式

根据下图，思考：

1. 输入层矩阵 $\vec{x}$ 是一个 $?\ast ?$ 的矩阵？
2. 隐藏层 layer 1 输出的 ${\vec{a}}^{[1]}$ 是一个 $?\ast ?$ 的矩阵？
3. 隐藏层 layer 1 的向量参数 $\vec{w}$ 是一个 $?\ast ?$ 的矩阵？

列举隐藏层 layer 1 的输出公式：

layer 1 中包含四个神经元：

• $$a_1^{[1]}=g({\vec{w}}_1^{[1]}\cdot \vec{x}+b_1^{[1]})$$
• $$a_2^{[1]}=g({\vec{w}}_2^{[1]}\cdot \vec{x}+b_2^{[1]})$$
• $$a_3^{[1]}=g({\vec{w}}_3^{[1]}\cdot \vec{x}+b_3^{[1]})$$
• $$a_4^{[1]}=g({\vec{w}}_4^{[1]}\cdot \vec{x}+b_4^{[1]})$$

layer 1 的输出为一个二维数组：
$${\vec{a}}^{[1]}=[[a_1^{[1]},a_2^{[1]},a_3^{[1]},a_4^{[1]}]]$$

根据上述内容，回答上述的三个问题【1】【2】【3】：

1. 输入层 $\vec{x}$ 是一个 $n\ast m$ 的矩阵，其中 $n$ 是训练样本的个数，$m$ 是样本的特征。样本的 $m$ 个特征，影响着隐藏层 layer 1 的向量参数矩阵形状。

2. 隐藏层 layer 1 输出的 ${\vec{a}}^{[1]}$ 是一个 $1\ast 4$ 的矩阵，内容为 layer 1 中四个神经元的结果；

3. 隐藏层 layer 1 的向量参数 $\vec{w}$ 是一个 $m\ast 4$ 的矩阵，$m$ 代表输入的特征，根据这些输入的特征，我们输出 $4$ 个值组成的 ${\vec{a}}^{[1]}$；

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Tensorflow 全连接层 Dense 与 顺序模型 Sequential

下面内容我将围绕如何使用 tensorflow 代码实现上述的隐藏层以及诸多神经元：

Dense Layer

首先有请全连接层 Dense Layer 全连接层：

全连接层（Dense） 是深度神经网络中常用的一种层类型，也是最基本的层类型之一。全连接层将上一层（输入层或者前一层隐藏层）的每个神经元与本层的 每个神经元 都进行连接，形成一个完全连接的网络结构，因此也称为全连接层。

在全连接层中，每个神经元的输出值是上一层所有神经元的 加权和，然后再经过一个 非线性激活函数 进行处理。如果本层有 $n$ 个神经元，上一层有 $m$ 个神经元，那么全连接层的 权重矩阵 （$\vec{w}$）就是一个形状为 $(m,n)$ 的矩阵，而偏置向量（$b$）的长度为 $n$。

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Sequential Model

Sequential model 是一种按顺序堆叠各种深度学习层的简单模型。在 Sequential model 中，每一层的输出都成为下一层的输入，这些层按照 顺序连接 在一起形成一个深度学习模型，故称为：顺序模型；

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代码实现一个神经网络

实现方式一：手写神经网络

本节内容只是为了知识引入，完整的一个 Minst 判断手写 0/1 项目链接如下：
xxxxxx

def my_dense(a_in, W, b, g):

    units = W.shape[1]
    a_out = np.zeros(units)

    for i in range(units):
        w = W[:,i]
        z = np.dot(w, a_in) + b[i]
        a_out[i] = g(z)

    return(a_out)

简化上述代码，方案：通过 np.matmul()

在进行矩阵乘法计算时，np.matmul() 会自动识别输入的数组的维度，并根据矩阵乘法的规则进行计算。
$e.g.$ 假设我们有两个矩阵 $A$ 和 $B$，它们的形状分别为 $(m,n)$ 和 $(n,p)$，那么它们的乘积矩阵 $C$ 的形状为 $(m,p)$；

def my_dense_v(A_in, W, b, g):

    Z = np.matmul(A_in,W)+b
    A_out = g(Z)

    return(A_out)

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* 实现方式二：Tensorflow

本节内容只是为了知识引入，完整的一个 Minst 判断手写 0/1 项目链接如下：
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model = Sequential(
    [               
        tf.keras.Input(shape=(400,)),
        Dense(units = 25, activation='sigmoid'),
        Dense(units = 15, activation='sigmoid'),
        Dense(units = 1, activation='sigmoid')        
    ], name = "my_model" 
)     

上述代码中，我们引入了三个全连接层：

• Dense(units = 25, activation = 'sigmoid')
  • 该层（隐藏层）包含 25 个神经元，采用 sigmoid 作为激活函数；
  • 参数的总个数为：400 * 25 + 25 = 10025；
• Dense(units = 15, activation = 'sigmoid')
  • 该层（隐藏层）包含 15 个神经元，采用 sigmoid 作为激活函数
  • 参数的总个数为：25 * 15 + 15 = 390；
• Dense(units = 1, activation = 'sigmoid')
  • 该层（输出层）包含 1 个神经元，采用 sigmoid 作为激活函数
  • 参数的总个数为：15 * 1 + 1 = 16；

完整的一个 Minst 判断手写 0/1 项目链接如下：
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