TensorFlow2学习(1)

印度阿三17 2020-07-08

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Tensorflow2学习（1）1 TensorFlow2学习 1.1 张量（Tensor）1.1.1张量是多维数组（列表），用阶表示张量的维数：1.1.2创建一个Tensor 1.2 常用函数 1.3 简单实践（鸢尾花数据读取与神经网络分类）1.3.1 鸢尾花数据读取 1.3.2 神经网络分类

1 TensorFlow2学习

1.1 张量（Tensor）

1.1.1张量是多维数组（列表），用阶表示张量的维数：

维数	阶	名称	例子
0-D	0	scalar 标量	s=1 2 3
1-D	1	vector 向量	s=[1,2,3]
2-D	2	matrix 矩阵	s=[[1,2,3],[1,2,3],[1,2,3]]
n-D	3	tensor 张量	s=[[[ ]]] 其中左侧中括号有n个

1.1.2创建一个Tensor

1）tf.constant(张量内容，dtype=数据类型(可选))

import tensorflow as tf
import os
os.environ["TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL"] = "2"

a = tf.constant([1, 5],dtype=tf.int64)
print(a)
print(a.dtype)
print(a.shape)

#结果显示
tf.Tensor([1 5], shape=(2,), dtype=int64)
<dtype: 'int64'>
(2,)

注：张量的形状看shape的逗号隔开了几个数字，隔开了几个数字，张量就是几维。

2）tf.convert_to_tensor(数据名，dtype=数据类型(可选)) 将numpy的数据类型转换为tensor数据类型。

import tensorflow as tf
import numpy as np
import os
os.environ["TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL"] = "2"

a = np.arange(0, 5)
b = tf.convert_to_tensor(a, dtype=tf.int64)
print(a)
print(b)

#结果显示
[0 1 2 3 4]
tf.Tensor([0 1 2 3 4], shape=(5,), dtype=int64)

3）tf.fill(维度，指定值) 创建全为指定值的张量，其中指定值只能为标量。

a = tf.fill([2, 3], 9)
print(a)

#结果显示
tf.Tensor(
[[9 9 9]
 [9 9 9]], shape=(2, 3), dtype=int32)

4）tf.random.normal(维度,mean=均值,stddev=标准差) 生成正态分布的随机数，默认均值为0，标准差为1

tf.random.truncated_normal(维度,mean=均值,stddev=标准差) 生成截断式正态分布的随机数，生成的数更向均值集中。

a = tf.random.normal([2, 2], mean=0.3, stddev=2)
b = tf.random.truncated_normal([2, 2], mean=0.3, stddev=2)
print(a)
print(b)

#结果显示
tf.Tensor(
[[-0.41351897  1.8662729 ]
 [ 2.200518    1.3296602 ]], shape=(2, 2), dtype=float32)
tf.Tensor(
[[ 1.5761657  1.201687 ]
 [ 1.9042709 -0.7466951]], shape=(2, 2), dtype=float32)

4）tf.random.uniform(维度,minval=最小值,maxval=最大值) 生成均匀分布的随机数，生成数区间是前开后闭区间。

a = tf.random.uniform([2, 2], minval=-2, maxval=2)
print(a)

#结果显示
tf.Tensor(
[[ 0.2742386  -0.69904184]
 [ 1.3488121  -0.7883253 ]], shape=(2, 2), dtype=float32)

1.2 常用函数

1）tf.cast(张量名,dtype=数据类型) 强制tensor转换为该数据类型

2）tf.reduce_min(张量名) 计算张量维度上元素的最小值

3）tf.reduce_max(张量名) 计算张量维度上元素的最大值

x1 = tf.constant([1, 2, 3], dtype=tf.int64)
print(x1)
x2 = tf.cast(x1, tf.float32)
print(x2)
x3 = tf.reduce_min(x1)
x4 = tf.reduce_max(x2)
print(x3, x4)

#结果显示
tf.Tensor([1 2 3], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([1. 2. 3.], shape=(3,), dtype=float32)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64) tf.Tensor(3.0, shape=(), dtype=float32)

4）tf.reduce_mean(张量名，axis=操作轴) 计算张量沿着指定维度的平均值，其中axis为1，表示行，为0表示列，若axis没写，则对整个张量求平均，先列求，再行求。

5）tf.reduce_sum(张量名，axis=操作轴) 计算张量沿着指定维度的和。

x = tf.constant([[1, 2, 3], [3, 2, 3]], dtype=tf.float32)
print(x)
print(tf.reduce_mean(x), tf.reduce_sum(x, axis=1))

#结果显示
tf.Tensor(
[[1. 2. 3.]
 [3. 2. 3.]], shape=(2, 3), dtype=float32)
tf.Tensor(2.3333333, shape=(), dtype=float32) tf.Tensor([6. 8.], shape=(2,), dtype=float32)

6）tf.Variable(初始值) 将变量标记为“可训练”，被标记的变量会在反向传播中记录梯度信息。神经网络训练中，常用该函数标记待训练参数。

w = tf.Variable(tf.random.uniform([2, 2], minval=0, maxval=1))
print(x)

#结果显示
<tf.Variable 'Variable:0' shape=(2, 2) dtype=float32, numpy=
array([[0.7305305 , 0.7579589 ],
       [0.02064288, 0.32717478]], dtype=float32)>

注：可以用来表示损失函数loss的参数w，即将w标记为可训练变量。

7）tensorflow中的数学运算

四则运算：tf.add；tf.subtract；tf.multiply；tf.divide。这些四则运算张量维度必须一样
平方、次方与开方：tf.square；tf.pow；tf.sqrt
矩阵乘：tf.matmul

8）tf.data.Dataset.from_tensor_slices((输入特征，标签)) 切分传入张量的第一维度，生成输入特征/标签对，构建数据集。该方法可以读取numpy与tensor两种格式的数据。

feature = tf.constant([1, 3, 10, 24])
labels = tf.constant([0, 0, 1, 1])
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((feature, labels))
print(dataset)
for i in dataset:
    print(i)

#结果显示
<TensorSliceDataset shapes: ((), ()), types: (tf.int32, tf.int32)>
(<tf.Tensor: id=9, shape=(), dtype=int32, numpy=1>, <tf.Tensor: id=10, shape=(), dtype=int32, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=11, shape=(), dtype=int32, numpy=3>, <tf.Tensor: id=12, shape=(), dtype=int32, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=13, shape=(), dtype=int32, numpy=10>, <tf.Tensor: id=14, shape=(), dtype=int32, numpy=1>)
(<tf.Tensor: id=15, shape=(), dtype=int32, numpy=24>, <tf.Tensor: id=16, shape=(), dtype=int32, numpy=1>)

9）tf.GradientTape() 用它的with结构记录计算过程，gradient求出张量的梯度，即求导。

其结构一般为：

with tf.GradientTape() as tape:
    若干个计算过程
grad = tape.gradient(函数, 对谁求导)

下面举个例子：其中损失函数为w的平方，w=3.0

with tf.GradientTape() as tape:
    w = tf.Variable(3.0)
    loss = tf.pow(w, 2)
grad = tape.gradient(loss, w)
print(grad)

#结果显示
tf.Tensor(6.0, shape=(), dtype=float32)

10）enumerate(列表名) 是python的内建函数，它可以遍历每个元素（如列表、元组或字符串），组合形式为：索引元素，常在for循环中使用。

seq = ['one', 'two', 'three']
for i, element in enumerate(seq):
    print(i, element)

#结果显示
0 one
1 two
2 three

11）tf.one_hot(待转换数据，depth=几分类) 在分类问题中，用独热码，即one_hot做标签，‘1’表示是，‘0’表示非，将待转换数据，转换为one_hot形式的数据进行输出。

classes = 5
labels = tf.constant([1, 2, 3])
output = tf.one_hot(labels, classes)
print(output)

#结果显示
tf.Tensor(
[[0. 1. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 1. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 1. 0.]], shape=(3, 5), dtype=float32)

12）tf.nn.softmax(待转换数据) 使n个输出变成0~1的值，且其和为1。

y = tf.Variable([1.02, 2.30, -0.19])
y_pro = tf.nn.softmax(y)
print("After softmax, y_pro is:", y_pro)

#结果显示
After softmax, y_pro is: tf.Tensor([0.2042969  0.73478234 0.06092078], shape=(3,), dtype=float32)

13）assign_sub(w要自减的内容) 赋值操作，更新参数的值并返回。要更新的参数的前提是，其是可训练的，即初始w值是variable构建的。

w = tf.Variable(3)
w.assign_sub(1) # 实现w-1功能，即自减
print(w)

#结果显示
<tf.Variable 'Variable:0' shape=() dtype=int32, numpy=2>

14）tf.argmax(张量名，axis=操作轴) 返回张量沿指定维度最大值的索引。

x = np.array([[1, 2, 3], [2, 3, 4], [4, 5, 6]])
print(x)
print(tf.argmax(x, axis=1))
print(tf.argmin(x, axis=0))

#结果显示
[[1 2 3]
 [2 3 4]
 [4 5 6]]
tf.Tensor([2 2 2], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([0 0 0], shape=(3,), dtype=int64)

1.3 简单实践（鸢尾花数据读取与神经网络分类）

1.3.1 鸢尾花数据读取

from sklearn import datasets
from pandas import DataFrame
import pandas as pd

x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target
#print('鸢尾花数据：\n', x_data)
#print('鸢尾花标签：\n', y_data)

x_data = DataFrame(x_data, columns=['花萼长度', '花萼宽度', '花瓣长度', '花瓣宽度'])# 将其变成表格形式，并为每一列增加中文标签
pd.set_option('display.unicode.east_asian_width', True)# 设置表格为列名对其
print('鸢尾花数据：\n', x_data)

x_data['类别'] = y_data # 为x_data增加一列类别，即原来定义的y_data
print('增加一列后的表格为：\n', x_data)

#结果显示
鸢尾花数据：
      花萼长度  花萼宽度  花瓣长度  花瓣宽度
0         5.1       3.5       1.4       0.2
..        ...       ...       ...       ...
149       5.9       3.0       5.1       1.8

[150 rows x 4 columns]
增加一列后的表格为：
      花萼长度  花萼宽度  花瓣长度  花瓣宽度  类别
0         5.1       3.5       1.4       0.2     0
..        ...       ...       ...       ...   ...
149       5.9       3.0       5.1       1.8     2

[150 rows x 5 columns]

1.3.2 神经网络分类

实现该功能我们可以分三步走：

准备数据

数据集读入
数据集乱序
生成训练集和测试集（即x_train/y_train，x_test/y_test）
配成（输入特征，标签）对，每次读入一小撮（batch）

搭建网络

定义神经网络中所有可训练参数

参数优化

嵌套循环迭代，with结构更新参数，显示当前loss

注：还可以进行以下操作

1）测试结果

计算当前参数前向传播后的准确率，显示当前acc

2）acc/loss可视化

以下为一个神经网络实现鸢尾花分类示例：

import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 第一步-准备数据-数据读取
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target

# 第一步-准备数据-打乱数据
np.random.seed(1) # 使用相同的seed打乱，保证输入的数据与标签一一对应
np.random.shuffle(x_data) # 生成随机列表
np.random.seed(1)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(1)

# 第一步-准备数据-分成训练集和测试集
x_train = x_data[:-30] # 由开头到倒数第30个
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:] # 由倒数第30个到最后
y_test = y_data[-30:]

# 为防止数据集出现计算上的错误，我们将数据集转换类型
x_train = tf.cast(x_train, dtype=tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, dtype=tf.float32)

# 第一步-准备数据-特征值与标签配对，并以batch形式输入
train_fl = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_fl = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

# 第二步-搭建网络-定义所有相关参数（这一步可以在训练等模型写完后再完成）
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1))
lr = 0.1 # 学习率为0.1
train_loss_result = [] # 每轮的loss记录于此，为后面的loss图像提供数据
test_acc = [] # 每轮的准确率记录于此，为后面的acc图像提供数据
epoch = 500 # 循环次数
loss_all = 0 # 每轮分4个step,loss_all记录四个step生成的4个loss的和

# 第三步-参数优化-训练模型部分
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_fl): # batch级别的循环，每个step循环一次batch
        with tf.GradientTape() as tape:
            y = tf.matmul(x_train, w1)   b1 # 全连接层
            y = tf.nn.softmax(y) # 输出0~1的真实值
            y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3) # 预测值
            loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y)) # 损失函数
            loss_all  = loss.numpy() # 将每个step计算出的loss累加，为后面求loss平均值提供数据
        grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
        # 实现w与b的梯度更新：w1=w1-lr*w1_grad ,b1同理
        w1.assign_sub(lr * grads[0])
        b1.assign_sub(lr * grads[1])
    print('Epoch {}, loss: {}'.format(epoch, loss_all/4))
    train_loss_result.append(loss_all / 4) # 将4个step的loss求平均记录在变量中
    loss_all = 0 # 将loss_all归零，为记录下一个epoch做准备

    # 第四步-预测模型部分
    total_correct, total_number = 0, 0 # 前者为测试结果为正确的数量，后者为样本总数量，都初始化为0
    for x_test, y_test in test_fl: # 因为我们每个step为32，而我们数据只有30个，所以这里不使用enumerate
        y = tf.matmul(x_test, w1)   b1
        y = tf.nn.softmax(y)
        pred = tf.argmax(y, axis=1) # 返回预测值中最大的索引，即预测的分类
        pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
        correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32) # 预测正确的结果保留下来
        correct = tf.reduce_sum(correct)
        total_correct  = int(correct)
        total_number  = x_test.shape[0]
    acc = total_correct / total_number
    test_acc.append(acc)
    print('Test_acc:', acc)
    print('---------------------------')

# 第五步-acc/loss可视化
plt.title('Loss Function Curve')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('loss')
# plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['FangSong']
# plt.rcParams['axes.Unicode_minus'] = False
plt.plot(train_loss_result, label='$Loss$')
plt.legend()
plt.show()

plt.title('Acc Curve')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Acc')
plt.plot(test_acc, label='$Accuracy$')
plt.legend()
plt.show()

#结果显示
---------------------------
Epoch 499, loss: 0.02722732489928603
Test_acc: 0.9666666666666667
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