一、多層感知機(jī)簡介

Softmax回歸可以算是多分類問題logistic回歸，它和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別是沒有隱含層。理論上只要隱含節(jié)點足夠多，即時只有一個隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以擬合任意函數(shù)，同時隱含層越多，越容易擬合復(fù)雜結(jié)構(gòu)。為了擬合復(fù)雜函數(shù)需要的隱含節(jié)點的數(shù)目，基本上隨著隱含層的數(shù)量增多呈指數(shù)下降的趨勢，也就是說層數(shù)越多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需要的隱含節(jié)點可以越少。層數(shù)越深，概念越抽象，需要背誦的知識點就越少。在實際應(yīng)用中，深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會遇到許多困難，如過擬合、參數(shù)調(diào)試、梯度彌散等。

過擬合是機(jī)器學(xué)習(xí)中的一個常見問題，是指模型預(yù)測準(zhǔn)確率在訓(xùn)練集上升高，但是在測試集上的準(zhǔn)確率反而下降，這通常意味著模型的泛化能力不好，過度擬合了訓(xùn)練集。針對這個問題，Hinton教授團(tuán)隊提出了Dropout的解決辦法，在使用CNN訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)時效果尤其有效，其大體思路是在訓(xùn)練時將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)某一層的輸出節(jié)點數(shù)據(jù)隨機(jī)丟失一部分。這種做法實質(zhì)上等于創(chuàng)造出了許多新的隨機(jī)樣本，通過增大樣本量、減少特征數(shù)量來防止過擬合。

參數(shù)調(diào)試問題尤其是SGD（StochasticGradient Descent）的參數(shù)，對SGD設(shè)置不同的學(xué)習(xí)率learning rate，最后得到的結(jié)果可能差異巨大。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化通常不是一個簡單的凸優(yōu)化問題，它處處充滿了局部最優(yōu)。有理論表示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能有很多個局部最優(yōu)解都可以達(dá)到比較好的分類效果，而全局最優(yōu)很可能造成過擬合。對SGD，我們希望一開始學(xué)習(xí)率大一些，加速收斂，在訓(xùn)練的后期又希望學(xué)習(xí)率小一些，這樣可以低速進(jìn)入一個局部最優(yōu)解。不同的機(jī)器學(xué)習(xí)問題的學(xué)習(xí)率設(shè)置也需要針對性的調(diào)試，像Adagrad、Adam、Adadelta等自適應(yīng)的方法可以減輕調(diào)試參數(shù)的負(fù)擔(dān)。對于這些優(yōu)化算法，通常我們使用其默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置就可以得到比較好的效果。

梯度彌散（Gradient Vanishment）是另一個影響深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的問題，在ReLU激活函數(shù)出現(xiàn)之前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是使用Sigmoid作為激活函數(shù)。非線性的Sigmoid函數(shù)在信號的特征空間映射上，對中央?yún)^(qū)的信號增益較大，對兩側(cè)區(qū)的信號增益小。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)較多時，Sigmoid函數(shù)在反向傳播中梯度值會逐漸減小，到達(dá)前面幾層的梯度值就變得非常小了，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的時候，前面幾層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)幾乎得不到訓(xùn)練更新。指導(dǎo)ReLU，y = max(0, x)，的出現(xiàn)才比較完美的解決了梯度彌散的問題。信號在超過某個閾值時，神經(jīng)元才會進(jìn)入興奮和激活的狀態(tài)，否則會處于抑制狀態(tài)。ReLU可以很好的反向傳遞梯度，經(jīng)過多層的梯度反向傳播，梯度依舊不會大幅減小，因此非常適合深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。ReLU對比于Sigmoid的主要特點有以下幾點：（1）單側(cè)抑制；（2）相對寬闊的興奮邊界；（3）稀疏激活性。目前，ReLU及其變種EIU、PReLU、RReLU已經(jīng)成為最主流的激活函數(shù)。實踐中大部分情況下（包括MLP、CNN、RNN）將隱含層的激活函數(shù)從Sigmoid替換為ReLU都可以帶來訓(xùn)練速度和模型準(zhǔn)確率的提升。當(dāng)然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層一般都是Sigmoid函數(shù)，因為它最接近概率輸出分布。

二、TensorFlow實現(xiàn)過程

完整代碼：

import tensorflow as tf 
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data 
 
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True) 
in_units = 784 #輸入節(jié)點數(shù) 
h1_units = 300 #隱含層節(jié)點數(shù) 
W1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([in_units, h1_units], stddev=0.1)) #初始化隱含層權(quán)重W1，服從默認(rèn)均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.1的截斷正態(tài)分布 
b1 = tf.Variable(tf.zeros([h1_units])) #隱含層偏置b1全部初始化為0 
W2 = tf.Variable(tf.zeros([h1_units, 10]))  
b2 = tf.Variable(tf.zeros([10])) 
x = tf.placeholder(tf.float32, [None, in_units]) 
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32) #Dropout失活率 
 
#定義模型結(jié)構(gòu) 
hidden1 = tf.nn.relu(tf.matmul(x, W1) + b1) 
hidden1_drop = tf.nn.dropout(hidden1, keep_prob) 
y = tf.nn.softmax(tf.matmul(hidden1_drop, W2) + b2) 
 
#訓(xùn)練部分 
y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10]) 
cross_entropy = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y_ * tf.log(y), reduction_indices=[1])) 
train_step = tf.train.AdagradOptimizer(0.3).minimize(cross_entropy) 
 
#定義一個InteractiveSession會話并初始化全部變量 
sess = tf.InteractiveSession() 
tf.global_variables_initializer().run() 
correct_prediction = tf.equal(tf.arg_max(y, 1), tf.arg_max(y_, 1)) 
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32)) 
for i in range(3001): 
  batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100) 
  train_step.run({x: batch_xs, y_: batch_ys, keep_prob: 0.75}) 
  if i % 200 ==0: 
    #訓(xùn)練過程每200步在測試集上驗證一下準(zhǔn)確率，動態(tài)顯示訓(xùn)練過程 
    print(i, 'training_arruracy:', accuracy.eval({x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels,  
               keep_prob: 1.0})) 
print('final_accuracy:', accuracy.eval({x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0})) 

在TensorFlow上實現(xiàn)的Softmax回歸模型對MNIST數(shù)據(jù)集取得了92%的正確率，現(xiàn)在我們給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加上一層隱含層，并使用減輕過擬合的Dropout、自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的Adagrad以及解決梯度彌散問題激活函數(shù)ReLU。

首先，載入TensorFlow的并加載MNIST、數(shù)據(jù)集。指定輸入節(jié)點數(shù)in_units和隱含層節(jié)點數(shù)h1_units。初始化隱含層的全中W1和偏置b1，因為模型使用的激活函數(shù)是ReLU，需要使用正態(tài)分布對W1進(jìn)行初始化，給權(quán)重參數(shù)增加一些噪聲來打破完全對稱并避免0梯度。在其它一些模型中，有時還需要給偏置初始化一些非零初始值來避免dead neuron（死亡神經(jīng)元）。對于輸出層Softmax，直接將全中W2和偏置b2全部初始化為0即可。接下來為輸入x設(shè)置placeholder，并為不同的Dropout設(shè)置一個輸入placeholder，通常在訓(xùn)練時小于1，預(yù)測時等于1。

下面定義模型結(jié)構(gòu)，首先定義一個隱含層hidden1，通過tf.nn.relu(tf.matmul(x,W1) + b1)實現(xiàn)一個激活函數(shù)為ReLU的隱含層，這個隱含層的計算公式就是y = relu(W1x + b1)。接下來調(diào)用tf.nn.dropout實現(xiàn)Dropout功能，隨機(jī)將一部分神經(jīng)元節(jié)點置為0，這里的keep_prob參數(shù)是保留的數(shù)據(jù)比例而不是置為0的比例。在訓(xùn)練的時候應(yīng)該是小于1用以制造隨機(jī)性，防止過擬合；在預(yù)測的時候應(yīng)該等于1，即全部特征用來預(yù)測樣本的類別。

在優(yōu)化器選擇上，我們選擇Adagrad并把學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.3，這里我們直接使用tf.train.AdagradOptimizer(0.3)就可以了。

接下來的訓(xùn)練部分和預(yù)測部分以及定義繪畫等請參見另一篇博文MNIST在TensorFLow上的Softmax回歸模型實現(xiàn)，有詳細(xì)介紹。

最終，但隱含層MLP模型在測試集上可以達(dá)到98%的準(zhǔn)確率，相比之前Softmax回歸模型的92%的準(zhǔn)確率有了飛躍性的提高。

三、其他補充說明

1. tf.truncated_normal

tf.truncated_normal(shape, mean=0.0, stddev=1.0, dtype=tf.float32,seed=None, name=None)

函數(shù)功能：返回指定形狀的服從指定均值和標(biāo)準(zhǔn)差的截斷正態(tài)分布的tensor。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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