Deep learning with Python 学习笔记（7）

介绍一维卷积神经网络

卷积神经网络能够进行卷积运算，从局部输入图块中提取特征，并能够将表示模块化，同时可以高效地利用数据。这些性质让卷积神经网络在计算机视觉领域表现优异，同样也让它对序列处理特别有效。对于某些序列处理问题，这种一维卷积神经网络的效果可以媲美 RNN，而且计算代价通常要小很多，并且，对于文本分类和时间序列预测等简单任务，小型的一维卷积神经网络可以替代 RNN，而且速度更快

二维卷积是从图像张量中提取二维图块并对每个图块应用相同的变换，按照同样的方法，也可以使用一维卷积，从序列中提取局部一维序列段（即子序列）。这种一维卷积层可以识别序列中的局部模式。因为对每个序列段执行相同的输入变换，所以在句子中某个位置学到的模式稍后可以在其他位置被识别，这使得一维卷积神经网络具有平移不变性（对于时间平移而言），如下，该一维卷积能够学习长度不大于5的单词或单词片段，因此，字符级的一维卷积神经网络能够学会单词构词法

序列数据的一维池化：从输入中提取一维序列段（即子序列），然后输出其最大值（最大池化）或平均值（平均池化）。该操作也是用于降低一维输入的长度

Keras中的一维卷积神经网络是 Conv1D 层，它接收的输入形状是(samples, time, features)的三维张量，并返回类似形状的三维张量。卷积窗口是时间轴上的一维窗口（时间轴是输入张量的第二个轴）

一维卷积神经网络的架构与二维卷积神经网络相同，它是 Conv1D 层和 MaxPooling1D层的堆叠，最后是一个全局池化层或 Flatten 层，将三维输出转换为二维输出，让你可以向模型中添加一个或多个 Dense 层，用于分类或回归。不过二者有一点不同：一维卷积神经网络可以使用更大的卷积窗口。对于二维卷积层，3×3 的卷积窗口包含 3×3=9 个特征向量；但对于一位卷积层，大小为 3 的卷积窗口只包含 3个卷积向量。因此，你可以轻松使用大小等于 7 或 9 的一维卷积窗口

Demo，使用网络架构为

from keras.datasets import imdb
from keras.preprocessing import sequence
from keras.models import Sequential
from keras import layers
from keras.optimizers import RMSprop
import tools

max_features = 1000
max_len = 500

(x_train, y_train),(x_test, y_test) = imdb.load_data(path="E:\\study\\dataset\\imdb.npz",num_words=max_features)
x_train = sequence.pad_sequences(x_train, maxlen=max_len)
x_test = sequence.pad_sequences(x_test, maxlen=max_len)

model = Sequential()
# 词嵌入，将人类的语言映射到几何空间中
model.add(layers.Embedding(max_features, 128, input_length=max_len))
model.add(layers.Conv1D(32, 7, activation='relu'))
# 对时域1D信号进行最大值池化
model.add(layers.MaxPooling1D(5))
model.add(layers.Conv1D(32, 7, activation='relu'))
# 对于时间信号的全局最大池化
model.add(layers.GlobalMaxPooling1D())
model.add(layers.Dense(1))

model.summary()
model.compile(optimizer=RMSprop(lr=1e-4),
              loss='binary_crossentropy',
              metrics=['acc'])
history = model.fit(x_train, y_train, epochs=10, batch_size=128, validation_split=0.2)
tools.draw_acc_and_loss(history)

tools.py

import matplotlib.pyplot as plt

# 绘制network fit history
def draw_acc_and_loss(history):
    acc = history.history['acc']
    val_acc = history.history['val_acc']
    loss = history.history['loss']
    val_loss = history.history['val_loss']
    epochs = range(1, len(loss) + 1)
    plt.figure()
    plt.plot(epochs, acc, 'bo', label='Training acc')
    plt.plot(epochs, val_acc, 'b', label='Validation acc')
    plt.title('Training and validation acc')
    plt.legend()
    plt.show()

    plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='Training loss')
    plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='Validation loss')
    plt.title('Training and validation loss')
    plt.legend()
    plt.show()

结果为

Acc

Loss

二维卷积神经网络在二维空间中处理视觉模式时表现很好，与此相同，一维卷积神经网络在处理时间模式时表现也很好。对于某些问题，特别是自然语言处理任务，它可以替代 RNN，并且速度更快

通常情况下，一维卷积神经网络的架构与计算机视觉领域的二维卷积神经网络很相似，它将 Conv1D 层和 MaxPooling1D 层堆叠在一起，最后是一个全局池化运算或展平操作

因为 RNN 在处理非常长的序列时计算代价很大，但一维卷积神经网络的计算代价很小，所以在 RNN 之前使用一维卷积神经网络作为预处理步骤是一个好主意，这样可以使序列变短，并提取出有用的表示交给 RNN 来处理

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