TensorFlow2.1入门学习笔记(9)——神经网络参数优化器(优化器性能比较)

神经网络是基于链接的人工智能,当网络结构固定后,不同参数的选取对模型的表达力影响很大,优化器就是引导更新模型参数的工具

常用符号

  • 待优化参数w
  • 损失函数loss
  • 学习率lr
  • 每次迭代一个batch(以batch为单位批量喂入神经网络,batch常为$2^n$)
  • t表示当前batch迭代的总次数

更新参数的过程

  1. 计算t时刻损失函数关于当前参数的梯度$g_t=\nabla loss=\frac{\partial loss}{\partial(w_t)}$
  2. 计算t时刻一阶动量$m_t$和二阶动量$V_t$
  3. 计算t时刻下降梯度:$\eta_t=lr*{\frac {m_t}{\sqrt V_t}}$
  4. 计算t+1时刻参数:$w_{t+1}=w_t-\eta_t=w_t-lr*{\frac {m_t}{\sqrt V_t}}$

一阶动量:与梯度相关的函数 二阶动量:与梯度平方相关的函数 不同的优化器实质上是定义了不同的一阶动量和二阶动量公式

五种常见优化器

使用鸢尾花分类问题代码检测五种优化器性能。

SGD(无moment):随机梯度下降

$m_t=g_t$

$V_t=1$

$\eta_t=lr*{\frac {m_t}{\sqrt V_t}}=lr*g_t$

$w_{t+1}=w_t-\eta_t=w_t-lr*{\frac {m_t}{\sqrt V_t}}=w_t-lr*g_t$

${\Rightarrow \boxed{w_{t+1}=w_t-lr*{\frac {\partial loss}{\partial w_t}}}}$

  • 代码实现:
# sgd
w1.assign_sub(lr*grads[0])	# 参数w1自更新
b1.assign_sub(lr*grads[1])	# 参数b1自更新
  • 例:
# 利用鸢尾花数据集,实现前向传播、反向传播,可视化loss曲线

# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import time  ##1##

# 导入数据,分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target

# 随机打乱数据(因为原始数据是顺序的,顺序不打乱会影响准确率)
# seed: 随机数种子,是一个整数,当设置之后,每次生成的随机数都一样(为方便教学,以保每位同学结果一致)
np.random.seed(116)  # 使用相同的seed,保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)

# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集,训练集为前120行,测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]

# 转换x的数据类型,否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)

# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。(把数据集分批次,每个批次batch组数据)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

# 生成神经网络的参数,4个输入特征故,输入层为4个输入节点;因为3分类,故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同(方便教学,使大家结果都一致,在现实使用时不写seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))

lr = 0.1  # 学习率为0.1
train_loss_results = []  # 将每轮的loss记录在此列表中,为后续画loss曲线提供数据
test_acc = []  # 将每轮的acc记录在此列表中,为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500  # 循环500轮
loss_all = 0  # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和

# 训练部分
now_time = time.time()  ##2##
for epoch in range(epoch):  # 数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
    for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db):  # batch级别的循环 ,每个step循环一个batch
        with tf.GradientTape() as tape:  # with结构记录梯度信息
            y = tf.matmul(x_train, w1) + b1  # 神经网络乘加运算
            y = tf.nn.softmax(y)  # 使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
            y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3)  # 将标签值转换为独热码格式,方便计算loss和accuracy
            loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))  # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
            loss_all += loss.numpy()  # 将每个step计算出的loss累加,为后续求loss平均值提供数据,这样计算的loss更准确
        # 计算loss对各个参数的梯度
        grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])

        # 实现梯度更新 w1 = w1 - lr * w1_grad    b = b - lr * b_grad
        w1.assign_sub(lr * grads[0])  # 参数w1自更新
        b1.assign_sub(lr * grads[1])  # 参数b自更新

    # 每个epoch,打印loss信息
    print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all / 4))
    train_loss_results.append(loss_all / 4)  # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
    loss_all = 0  # loss_all归零,为记录下一个epoch的loss做准备

    # 测试部分
    # total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数,将这两个变量都初始化为0
    total_correct, total_number = 0, 0
    for x_test, y_test in test_db:
        # 使用更新后的参数进行预测
        y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
        y = tf.nn.softmax(y)
        pred = tf.argmax(y, axis=1)  # 返回y中最大值的索引,即预测的分类
        # 将pred转换为y_test的数据类型
        pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
        # 若分类正确,则correct=1,否则为0,将bool型的结果转换为int型
        correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
        # 将每个batch的correct数加起来
        correct = tf.reduce_sum(correct)
        # 将所有batch中的correct数加起来
        total_correct += int(correct)
        # total_number为测试的总样本数,也就是x_test的行数,shape[0]返回变量的行数
        total_number += x_test.shape[0]
    # 总的准确率等于total_correct/total_number
    acc = total_correct / total_number
    test_acc.append(acc)
    print("Test_acc:", acc)
    print("--------------------------")
total_time = time.time() - now_time  ##3##
print("total_time", total_time)  ##4##

# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss')  # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$")  # 逐点画出trian_loss_results值并连线,连线图标是Loss
plt.legend()  # 画出曲线图标
plt.show()  # 画出图像

# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Acc')  # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$")  # 逐点画出test_acc值并连线,连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()

SGDM(含moment的SGD),在SGD基础上增加了一阶动量

$m_{t}$表示各个时刻梯度方向的指数滑动平均值 $m_{t-1}$表示上一时刻的一阶动量 $\beta$是一个超参数,接近1,经验值0.9

$m_t=\beta*m_{t-1}+(1-\beta)*g_t$

$V_t=1$

$\eta_t=lr*{\frac {m_t}{\sqrt V_t}}=lr*m_t=lr*(\beta*m_{t-1}+(1-\beta)*g_t)$

$w_{t+1}=w_t-\eta_t=w_t-lr*{\beta*m_{t-1}+(1-\beta)*g_t}$

  • 代码实现
m_w, m_b = 0, 0
beta = 0.9
# sgd-momentun
m_w = beta*m_w+(1-beta)*grads[0]
m_b = beta*m_b+(1-beta)*grads[1]
w1.assign_sub(lr*m_w)
b1.assign_sub(lr*m_b)
# 利用鸢尾花数据集,实现前向传播、反向传播,可视化loss曲线

# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import time  ##1##

# 导入数据,分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target

# 随机打乱数据(因为原始数据是顺序的,顺序不打乱会影响准确率)
# seed: 随机数种子,是一个整数,当设置之后,每次生成的随机数都一样(为方便教学,以保每位同学结果一致)
np.random.seed(116)  # 使用相同的seed,保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)

# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集,训练集为前120行,测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]

# 转换x的数据类型,否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)

# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。(把数据集分批次,每个批次batch组数据)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

# 生成神经网络的参数,4个输入特征故,输入层为4个输入节点;因为3分类,故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同(方便教学,使大家结果都一致,在现实使用时不写seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))

lr = 0.1  # 学习率为0.1
train_loss_results = []  # 将每轮的loss记录在此列表中,为后续画loss曲线提供数据
test_acc = []  # 将每轮的acc记录在此列表中,为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500  # 循环500轮
loss_all = 0  # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和

##########################################################################
m_w, m_b = 0, 0
beta = 0.9
##########################################################################

# 训练部分
now_time = time.time()  ##2##
for epoch in range(epoch):  # 数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
    for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db):  # batch级别的循环 ,每个step循环一个batch
        with tf.GradientTape() as tape:  # with结构记录梯度信息
            y = tf.matmul(x_train, w1) + b1  # 神经网络乘加运算
            y = tf.nn.softmax(y)  # 使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
            y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3)  # 将标签值转换为独热码格式,方便计算loss和accuracy
            loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))  # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
            loss_all += loss.numpy()  # 将每个step计算出的loss累加,为后续求loss平均值提供数据,这样计算的loss更准确
        # 计算loss对各个参数的梯度
        grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])

        ##########################################################################
        # sgd-momentun  
        m_w = beta * m_w + (1 - beta) * grads[0]
        m_b = beta * m_b + (1 - beta) * grads[1]
        w1.assign_sub(lr * m_w)
        b1.assign_sub(lr * m_b)
    ##########################################################################

    # 每个epoch,打印loss信息
    print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all / 4))
    train_loss_results.append(loss_all / 4)  # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
    loss_all = 0  # loss_all归零,为记录下一个epoch的loss做准备

    # 测试部分
    # total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数,将这两个变量都初始化为0
    total_correct, total_number = 0, 0
    for x_test, y_test in test_db:
        # 使用更新后的参数进行预测
        y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
        y = tf.nn.softmax(y)
        pred = tf.argmax(y, axis=1)  # 返回y中最大值的索引,即预测的分类
        # 将pred转换为y_test的数据类型
        pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
        # 若分类正确,则correct=1,否则为0,将bool型的结果转换为int型
        correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
        # 将每个batch的correct数加起来
        correct = tf.reduce_sum(correct)
        # 将所有batch中的correct数加起来
        total_correct += int(correct)
        # total_number为测试的总样本数,也就是x_test的行数,shape[0]返回变量的行数
        total_number += x_test.shape[0]
    # 总的准确率等于total_correct/total_number
    acc = total_correct / total_number
    test_acc.append(acc)
    print("Test_acc:", acc)
    print("--------------------------")
total_time = time.time() - now_time  ##3##
print("total_time", total_time)  ##4##

# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss')  # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$")  # 逐点画出trian_loss_results值并连线,连线图标是Loss
plt.legend()  # 画出曲线图标
plt.show()  # 画出图像

# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Acc')  # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$")  # 逐点画出test_acc值并连线,连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()

Adagrad:在SGD基础上增加二阶动量

$m_t=g_t$

$V_t=\sum_{t=1}^{t}g_t^2$

$\eta_t=lr*{\frac {m_t}{\sqrt V_t}}=lr*\frac{g_t}{\sqrt{\sum_{t=1}^{t}g_t^2}}$

$w_{t+1}=w_t-\eta_t=w_t-lr*\frac{g_t}{\sqrt{\sum_{t=1}^{t}g_t^2}}$

  • 代码实现
v_w, v_b = 0, 0
# adagrad
v_w += tf.square(grads[0])
v_b += tf.aquare(grads[1])
w1.assign_sub(lr*grads[0]/tf.sqrt(v_w))
b1.assign_sub(lr*grads[1]/tf.aqrt(v_b))
# 利用鸢尾花数据集,实现前向传播、反向传播,可视化loss曲线

# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import time  ##1##

# 导入数据,分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target

# 随机打乱数据(因为原始数据是顺序的,顺序不打乱会影响准确率)
# seed: 随机数种子,是一个整数,当设置之后,每次生成的随机数都一样(为方便教学,以保每位同学结果一致)
np.random.seed(116)  # 使用相同的seed,保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)

# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集,训练集为前120行,测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]

# 转换x的数据类型,否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)

# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。(把数据集分批次,每个批次batch组数据)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

# 生成神经网络的参数,4个输入特征故,输入层为4个输入节点;因为3分类,故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同(方便教学,使大家结果都一致,在现实使用时不写seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))

lr = 0.1  # 学习率为0.1
train_loss_results = []  # 将每轮的loss记录在此列表中,为后续画loss曲线提供数据
test_acc = []  # 将每轮的acc记录在此列表中,为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500  # 循环500轮
loss_all = 0  # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和

##########################################################################
v_w, v_b = 0, 0
##########################################################################

# 训练部分
now_time = time.time()  ##2##
for epoch in range(epoch):  # 数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
    for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db):  # batch级别的循环 ,每个step循环一个batch
        with tf.GradientTape() as tape:  # with结构记录梯度信息
            y = tf.matmul(x_train, w1) + b1  # 神经网络乘加运算
            y = tf.nn.softmax(y)  # 使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
            y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3)  # 将标签值转换为独热码格式,方便计算loss和accuracy
            loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))  # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
            loss_all += loss.numpy()  # 将每个step计算出的loss累加,为后续求loss平均值提供数据,这样计算的loss更准确
        # 计算loss对各个参数的梯度
        grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])

        ##########################################################################
        # adagrad
        v_w += tf.square(grads[0])
        v_b += tf.square(grads[1])
        w1.assign_sub(lr * grads[0] / tf.sqrt(v_w))
        b1.assign_sub(lr * grads[1] / tf.sqrt(v_b))
    ##########################################################################

    # 每个epoch,打印loss信息
    print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all / 4))
    train_loss_results.append(loss_all / 4)  # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
    loss_all = 0  # loss_all归零,为记录下一个epoch的loss做准备

    # 测试部分
    # total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数,将这两个变量都初始化为0
    total_correct, total_number = 0, 0
    for x_test, y_test in test_db:
        # 使用更新后的参数进行预测
        y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
        y = tf.nn.softmax(y)
        pred = tf.argmax(y, axis=1)  # 返回y中最大值的索引,即预测的分类
        # 将pred转换为y_test的数据类型
        pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
        # 若分类正确,则correct=1,否则为0,将bool型的结果转换为int型
        correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
        # 将每个batch的correct数加起来
        correct = tf.reduce_sum(correct)
        # 将所有batch中的correct数加起来
        total_correct += int(correct)
        # total_number为测试的总样本数,也就是x_test的行数,shape[0]返回变量的行数
        total_number += x_test.shape[0]
    # 总的准确率等于total_correct/total_number
    acc = total_correct / total_number
    test_acc.append(acc)
    print("Test_acc:", acc)
    print("--------------------------")
total_time = time.time() - now_time  ##3##
print("total_time", total_time)  ##4##

# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss')  # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$")  # 逐点画出trian_loss_results值并连线,连线图标是Loss
plt.legend()  # 画出曲线图标
plt.show()  # 画出图像

# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Acc')  # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$")  # 逐点画出test_acc值并连线,连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()

RMSProp:SGD基础上增加了二阶动量

$m_t=g_t$

$V_t=\beta*V_{t-1}+(1-\beta)*g_t^2$

$\eta_t=lr*{\frac {m_t}{\sqrt V_t}}=lr*\frac{g_t}{\sqrt{\beta*V_{t-1}+(1-\beta)*g_t^2}}$

$w_{t+1}=w_t-\eta_t=w_t-lr*\frac{g_t}{\sqrt{\beta*V_{t-1}+(1-\beta)*g_t^2}}$

  • 代码实现
v_w, v_b = 0, 0
beta = 0.9
# rmsprop
v_w = beta * v_w + (1 - beta) * tf.square(grads[0])
v_b = beta * v_b + (1 - beta) * tf.square(grads[1])
w1.assign_sub(lr * grads[0] / tf.sqrt(v_w))
b1.assign_sub(lr * grads[1] / tf.sqrt(v_b))
# 利用鸢尾花数据集,实现前向传播、反向传播,可视化loss曲线

# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import time  ##1##

# 导入数据,分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target

# 随机打乱数据(因为原始数据是顺序的,顺序不打乱会影响准确率)
# seed: 随机数种子,是一个整数,当设置之后,每次生成的随机数都一样(为方便教学,以保每位同学结果一致)
np.random.seed(116)  # 使用相同的seed,保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)

# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集,训练集为前120行,测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]

# 转换x的数据类型,否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)

# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。(把数据集分批次,每个批次batch组数据)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

# 生成神经网络的参数,4个输入特征故,输入层为4个输入节点;因为3分类,故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同(方便教学,使大家结果都一致,在现实使用时不写seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))

lr = 0.1  # 学习率为0.1
train_loss_results = []  # 将每轮的loss记录在此列表中,为后续画loss曲线提供数据
test_acc = []  # 将每轮的acc记录在此列表中,为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500  # 循环500轮
loss_all = 0  # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和

##########################################################################
v_w, v_b = 0, 0
beta = 0.9
##########################################################################

# 训练部分
now_time = time.time()  ##2##
for epoch in range(epoch):  # 数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
    for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db):  # batch级别的循环 ,每个step循环一个batch
        with tf.GradientTape() as tape:  # with结构记录梯度信息
            y = tf.matmul(x_train, w1) + b1  # 神经网络乘加运算
            y = tf.nn.softmax(y)  # 使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
            y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3)  # 将标签值转换为独热码格式,方便计算loss和accuracy
            loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))  # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
            loss_all += loss.numpy()  # 将每个step计算出的loss累加,为后续求loss平均值提供数据,这样计算的loss更准确
        # 计算loss对各个参数的梯度
        grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])

        ##########################################################################
        # rmsprop
        v_w = beta * v_w + (1 - beta) * tf.square(grads[0])
        v_b = beta * v_b + (1 - beta) * tf.square(grads[1])
        w1.assign_sub(lr * grads[0] / tf.sqrt(v_w))
        b1.assign_sub(lr * grads[1] / tf.sqrt(v_b))
    ##########################################################################

    # 每个epoch,打印loss信息
    print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all / 4))
    train_loss_results.append(loss_all / 4)  # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
    loss_all = 0  # loss_all归零,为记录下一个epoch的loss做准备

    # 测试部分
    # total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数,将这两个变量都初始化为0
    total_correct, total_number = 0, 0
    for x_test, y_test in test_db:
        # 使用更新后的参数进行预测
        y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
        y = tf.nn.softmax(y)
        pred = tf.argmax(y, axis=1)  # 返回y中最大值的索引,即预测的分类
        # 将pred转换为y_test的数据类型
        pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
        # 若分类正确,则correct=1,否则为0,将bool型的结果转换为int型
        correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
        # 将每个batch的correct数加起来
        correct = tf.reduce_sum(correct)
        # 将所有batch中的correct数加起来
        total_correct += int(correct)
        # total_number为测试的总样本数,也就是x_test的行数,shape[0]返回变量的行数
        total_number += x_test.shape[0]
    # 总的准确率等于total_correct/total_number
    acc = total_correct / total_number
    test_acc.append(acc)
    print("Test_acc:", acc)
    print("--------------------------")
total_time = time.time() - now_time  ##3##
print("total_time", total_time)  ##4##

# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss')  # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$")  # 逐点画出trian_loss_results值并连线,连线图标是Loss
plt.legend()  # 画出曲线图标
plt.show()  # 画出图像

# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Acc')  # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$")  # 逐点画出test_acc值并连线,连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()

Adam:同时结合SGDM一阶动量和RMSProp的二阶动量

$m_t=\beta*m_{t-1}+(1-\beta)*g_t$

修正一阶动量的偏差:$\hat{m_t}=\frac{m_t}{1-\beta_1^t}$

$V_t=\beta*V_{t-1}+(1-\beta)*g_t^2$

修正二阶动量的偏差:$\hat{V_t}=\frac{V_t}{1-\beta_2^t}$

$\eta_t=lr*\frac{\hat{m_t}}{\sqrt{\hat{V_t}}}=lr*\frac{\frac{m_t}{1-\beta_1^t}}{\sqrt{\frac{V_t}{1-\beta_2^t}}}$

$w_{t+1}=w_t-\eta_t=w_t-lr*\frac{\frac{m_t}{1-\beta_1^t}}{\sqrt{\frac{V_t}{1-\beta_2^t}}}$

  • 代码实现
m_w, m_b = 0, 0
v_w, v_b = 0, 0
beta1, beta2 = 0.9, 0.999
delta_w, delta_b = 0, 0
global_step = 0

 # adam
m_w = beta1 * m_w + (1 - beta1) * grads[0]
m_b = beta1 * m_b + (1 - beta1) * grads[1]
v_w = beta2 * v_w + (1 - beta2) * tf.square(grads[0])
v_b = beta2 * v_b + (1 - beta2) * tf.square(grads[1])

m_w_correction = m_w / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step)))
m_b_correction = m_b / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step)))
v_w_correction = v_w / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step)))
v_b_correction = v_b / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step)))

w1.assign_sub(lr * m_w_correction / tf.sqrt(v_w_correction))
b1.assign_sub(lr * m_b_correction / tf.sqrt(v_b_correction))
# 利用鸢尾花数据集,实现前向传播、反向传播,可视化loss曲线

# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import time  ##1##

# 导入数据,分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target

# 随机打乱数据(因为原始数据是顺序的,顺序不打乱会影响准确率)
# seed: 随机数种子,是一个整数,当设置之后,每次生成的随机数都一样(为方便教学,以保每位同学结果一致)
np.random.seed(116)  # 使用相同的seed,保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)

# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集,训练集为前120行,测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]

# 转换x的数据类型,否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)

# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。(把数据集分批次,每个批次batch组数据)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

# 生成神经网络的参数,4个输入特征故,输入层为4个输入节点;因为3分类,故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同(方便教学,使大家结果都一致,在现实使用时不写seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))

lr = 0.1  # 学习率为0.1
train_loss_results = []  # 将每轮的loss记录在此列表中,为后续画loss曲线提供数据
test_acc = []  # 将每轮的acc记录在此列表中,为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500  # 循环500轮
loss_all = 0  # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和

##########################################################################
m_w, m_b = 0, 0
v_w, v_b = 0, 0
beta1, beta2 = 0.9, 0.999
delta_w, delta_b = 0, 0
global_step = 0
##########################################################################

# 训练部分
now_time = time.time()  ##2##
for epoch in range(epoch):  # 数据集级别的循环,每个epoch循环一次数据集
    for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db):  # batch级别的循环 ,每个step循环一个batch
 ##########################################################################       
        global_step += 1
 ##########################################################################       
        with tf.GradientTape() as tape:  # with结构记录梯度信息
            y = tf.matmul(x_train, w1) + b1  # 神经网络乘加运算
            y = tf.nn.softmax(y)  # 使输出y符合概率分布(此操作后与独热码同量级,可相减求loss)
            y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3)  # 将标签值转换为独热码格式,方便计算loss和accuracy
            loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))  # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
            loss_all += loss.numpy()  # 将每个step计算出的loss累加,为后续求loss平均值提供数据,这样计算的loss更准确
        # 计算loss对各个参数的梯度
        grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])

##########################################################################
 # adam
        m_w = beta1 * m_w + (1 - beta1) * grads[0]
        m_b = beta1 * m_b + (1 - beta1) * grads[1]
        v_w = beta2 * v_w + (1 - beta2) * tf.square(grads[0])
        v_b = beta2 * v_b + (1 - beta2) * tf.square(grads[1])

        m_w_correction = m_w / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step)))
        m_b_correction = m_b / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step)))
        v_w_correction = v_w / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step)))
        v_b_correction = v_b / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step)))

        w1.assign_sub(lr * m_w_correction / tf.sqrt(v_w_correction))
        b1.assign_sub(lr * m_b_correction / tf.sqrt(v_b_correction))
##########################################################################

    # 每个epoch,打印loss信息
    print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all / 4))
    train_loss_results.append(loss_all / 4)  # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
    loss_all = 0  # loss_all归零,为记录下一个epoch的loss做准备

    # 测试部分
    # total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数,将这两个变量都初始化为0
    total_correct, total_number = 0, 0
    for x_test, y_test in test_db:
        # 使用更新后的参数进行预测
        y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
        y = tf.nn.softmax(y)
        pred = tf.argmax(y, axis=1)  # 返回y中最大值的索引,即预测的分类
        # 将pred转换为y_test的数据类型
        pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
        # 若分类正确,则correct=1,否则为0,将bool型的结果转换为int型
        correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
        # 将每个batch的correct数加起来
        correct = tf.reduce_sum(correct)
        # 将所有batch中的correct数加起来
        total_correct += int(correct)
        # total_number为测试的总样本数,也就是x_test的行数,shape[0]返回变量的行数
        total_number += x_test.shape[0]
    # 总的准确率等于total_correct/total_number
    acc = total_correct / total_number
    test_acc.append(acc)
    print("Test_acc:", acc)
    print("--------------------------")
total_time = time.time() - now_time  ##3##
print("total_time", total_time)  ##4##

# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss')  # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$")  # 逐点画出trian_loss_results值并连线,连线图标是Loss
plt.legend()  # 画出曲线图标
plt.show()  # 画出图像

# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve')  # 图片标题
plt.xlabel('Epoch')  # x轴变量名称
plt.ylabel('Acc')  # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$")  # 逐点画出test_acc值并连线,连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()
统计结果如下

不同主机结果一般不同

NameSGDSGDMAdagradRMSPropAdam
TotalTime11.884213.129812.181413.712621.4873

主要学习的资料,西安科技大学:神经网络与深度学习——TensorFlow2.0实战,北京大学:人工智能实践Tensorflow笔记

Yasin Wang
Yasin Wang
Undergraduate Student of Artificial Intelligence

My interests include deep learning, artificial intelligence, computer vision and website development.

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