tensorflow：实战Google深度学习框架第四章01损失函数

深度学习：两个重要特性：多层和非线性

线性模型：任意线性模型的组合都是线性模型，只通过线性变换任意层的全连接神经网络与单层神经网络没有区别。

激活函数：能够实现去线性化（神经元的输出通过一个非线性函数）。

多层神经网络：能够解决异或问题，深度学习有组合特征提取的功能。

使用激活函数和偏置项的前向传播算法

import tensorflow as tf
a = tf.nn.relu(tf.matmul(x,w1) + biases1)
y = tf.nn.relu(tf.matmul(a,w2) + biases2)

常用的激活函数：tf.nn.relu,  tf.sigmoid,   tf.tanh

二、损失函数（loss faction）

1、经典损失函数：分类问题：交叉熵，回归问题：均方误差

交叉熵：刻画两个概率分布之间的距离，交叉熵越小，概率分布越接近，给定两个概率分布p和q，通过q表示p的交叉熵（概率分布q来表达概率分布p的困难程度，p：正确答案，q：代表预测值）：

神经网络的输出不一定是概率分布，Softmax回归就是将神经网络的输出变成概率分布常用的方法

交叉熵的代码实现：

cross_entropy = -tf.reduce_mean(y_*tf.log(tf.clip_by_value(y,1e-10,1.0)))#y_代表正确结果，y代表预测结果

#第一个运算tf.clip_by_value函数可以将张量的数值限制在一个范围内，这样可以避免一些运算错误
#例如
import tensorflow as tf
sess = tf.Session()
v=tf.constant([[1.0,2.0,3.0],[4.0,5.0,6.0]])
print(tf.clip_by_value(v,2.5,4.5).eval(session=sess))
#输出[[ 2.5  2.5  3. ],[ 4.   4.5  4.5]]，将小于2.5的数替换为2.5,将大于4.5的数替换为4.5
#第二个运算tf.log函数，这个函数完成对张量中所有元素依次取对数。
v = tf.constant([1.0,2.0,3.0])
print(tf.log(v).eval(session=sess))
#输出为[ 0.          0.69314718  1.09861231]
#第三个运算乘法，在交叉熵代码中将矩阵使用“*”操作相乘，这是元素之间直接相乘，矩阵乘法需要tf.matmul函数完成
v1 = tf.constant([[1.0,2.0],[3.0,4.0]])
v2 = tf.constant([[5.0,6.0],[7.0,8.0]])
print((v1 * v2).eval(session=sess))#元素相乘
#输出为[[  5.  12.] [ 21.  32.]]
print(tf.matmul(v1,v2).eval(session=sess))#矩阵相乘
#输出[[ 19.  22.] [ 43.  50.]]
#前三步结果为：n*m的矩阵，其中n为一个batch的样例数量，m为分类的类别数量。根据交叉熵公式，要将每行m个结果相加得到所有样例的交叉熵，再对这n行取平均得到一个batch的平均交叉熵
#由于分类问题类别不变
sess.close()

配合softmax函数使用：

cross_entropy = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(y,y_)

若只有一个正确答案，使用下面函数加速计算：

cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(y,y_)

回归问题解决的是具体数值的预测，一般只有一个输出节点，最常用的损失函数是均方误差（MSE）：

代码实现：

mse = tf.reduce_mean(tf.square(y_-y))

2、自定义损失函数

# 不同的损失函数会对训练模型产生重要影响
import tensorflow as tf
from numpy.random import RandomState

# 1. 定义神经网络的相关参数和变量
batch_size = 8
x = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2), name="x-input")
y_ = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 1), name='y-input')
w1= tf.Variable(tf.random_normal([2, 1], stddev=1, seed=1))
y = tf.matmul(x, w1)

# 2. 设置自定义的损失函数
# 定义损失函数使得预测少了的损失大，于是模型应该偏向多的方向预测。
loss_less = 10
loss_more = 1
loss = tf.reduce_sum(tf.where(tf.greater(y, y_), (y - y_) * loss_more, (y_ - y) * loss_less))
train_step = tf.train.AdamOptimizer(0.001).minimize(loss)

# 3. 生成模拟数据集
rdm = RandomState(1)
X = rdm.rand(128,2)
Y = [[x1+x2+(rdm.rand()/10.0-0.05)] for (x1, x2) in X]

# 4. 训练模型
with tf.Session() as sess:
    init_op = tf.global_variables_initializer()
    sess.run(init_op)
    STEPS = 5000
    for i in range(STEPS):
        start = (i*batch_size) % 128
        end = (i*batch_size) % 128 + batch_size
        sess.run(train_step, feed_dict={x: X[start:end], y_: Y[start:end]})
        if i % 1000 == 0:
            print("After %d training step(s), w1 is: " % (i))
            print(sess.run(w1), "\n")
    print("[loss_less=10 loss_more=1] Final w1 is: \n", sess.run(w1))
'''
After 0 training step(s), w1 is:
[[-0.81031823]
 [ 1.4855988 ]] 

After 1000 training step(s), w1 is:
[[ 0.01247113]
 [ 2.13854504]] 

After 2000 training step(s), w1 is:
[[ 0.45567426]
 [ 2.17060685]] 

After 3000 training step(s), w1 is:
[[ 0.69968736]
 [ 1.84653103]] 

After 4000 training step(s), w1 is:
[[ 0.89886677]
 [ 1.29736042]] 

[loss_less=10 loss_more=1] Final w1 is:
 [[ 1.01934707]
 [ 1.04280913]]
 '''

# 5. 重新定义损失函数，使得预测多了的损失大，于是模型应该偏向少的方向预测
loss_less = 1
loss_more = 10
loss = tf.reduce_sum(tf.where(tf.greater(y, y_), (y - y_) * loss_more, (y_ - y) * loss_less))
train_step = tf.train.AdamOptimizer(0.001).minimize(loss)

with tf.Session() as sess:
    init_op = tf.global_variables_initializer()
    sess.run(init_op)
    STEPS = 5000
    for i in range(STEPS):
        start = (i*batch_size) % 128
        end = (i*batch_size) % 128 + batch_size
        sess.run(train_step, feed_dict={x: X[start:end], y_: Y[start:end]})
        if i % 1000 == 0:
            print("After %d training step(s), w1 is: " % (i))
            print(sess.run(w1), "\n")
    print("[loss_less=1 loss_more=10] Final w1 is: \n", sess.run(w1))
'''
After 0 training step(s), w1 is:
[[-0.81231821]
 [ 1.48359871]] 

After 1000 training step(s), w1 is:
[[ 0.18643527]
 [ 1.07393336]] 

After 2000 training step(s), w1 is:
[[ 0.95444274]
 [ 0.98088616]] 

After 3000 training step(s), w1 is:
[[ 0.95574027]
 [ 0.9806633 ]] 

After 4000 training step(s), w1 is:
[[ 0.95466018]
 [ 0.98135227]] 

[loss_less=1 loss_more=10] Final w1 is:
 [[ 0.95525807]
 [ 0.9813394 ]]
'''

# 6. 定义损失函数为MSE
loss = tf.losses.mean_squared_error(y, y_)
train_step = tf.train.AdamOptimizer(0.001).minimize(loss)

with tf.Session() as sess:
    init_op = tf.global_variables_initializer()
    sess.run(init_op)
    STEPS = 5000
    for i in range(STEPS):
        start = (i*batch_size) % 128
        end = (i*batch_size) % 128 + batch_size
        sess.run(train_step, feed_dict={x: X[start:end], y_: Y[start:end]})
        if i % 1000 == 0:
            print("After %d training step(s), w1 is: " % (i))
            print(sess.run(w1), "\n")
    print("[losses.mean_squared_error]Final w1 is: \n", sess.run(w1))
'''
After 0 training step(s), w1 is:
[[-0.81031823]
 [ 1.4855988 ]] 

After 1000 training step(s), w1 is:
[[-0.13337614]
 [ 1.81309223]] 

After 2000 training step(s), w1 is:
[[ 0.32190299]
 [ 1.52463484]] 

After 3000 training step(s), w1 is:
[[ 0.67850214]
 [ 1.25297272]] 

After 4000 training step(s), w1 is:
[[ 0.89473999]
 [ 1.08598232]] 

[losses.mean_squared_error]Final w1 is:
 [[ 0.97437561]
 [ 1.0243336 ]]
'''