TensorFlow简要教程及线性回归算法示例

TensorFlow是谷歌推出的深度学习平台，目前在各大深度学习平台中使用的最广泛。

一、安装命令

pip3 install -U tensorflow --default-timeout=1800 -i https://mirrors.ustc.edu.cn/pypi/web/simple

上面是不支持GPU的版本，支持GPU版本的安装命令如下

pip3 install -U tensorflow-gpu --default-timeout=1800 -i https://mirrors.ustc.edu.cn/pypi/web/simple

https://mirrors.ustc.edu.cn/pypi/web/simple 是国内的镜像，安装速度更快

二、基本数据类型

TensorFlow 中最基本的单位是常量（Constant）、变量（Variable）和占位符（Placeholder）。常量在定义后它的值和维度不可变，变量在定义后它的值可变而维度不可变。在神经网络中，变量一般可作为存储权重和其他信息的矩阵，常量可作为存储超参数或其他结构信息的变量。

三、使用TensorFlow进行机器学习的基本流程

● 准备样本数据(训练样本、验证样本、测试样本)

● 定义节点准备接收数据

● 设计神经网络：隐藏层和输出层

● 定义损失函数loss

● 选择优化器(optimizer) 使 loss 达到最小

● 对所有变量进行初始化，通过 sess.run optimizer，迭代N次进行学习

下面的示意图是所有 TensorFlow 机器学习模型所遵循的构建流程，即构建计算图、把数据输入张量、更新权重变量并返回输出值。

在第一步使用 TensorFlow 构建计算图中，需要构建整个模型的架构。例如在神经网络模型中，需要从输入层开始构建整个神经网络的架构，包括隐藏层的数量、每一层神经元的数量、层级之间连接的情况与权重、整个网络中每个神经元使用的激活函数等。此外，还需要配置整个训练、验证与测试的过程。例如在神经网络中，定义整个正向传播的过程与参数并设定学习率、正则化率和批量大小等各类超参数。

第二步将训练数据或测试数据等输送到模型中，TensorFlow 在这一步中一般需要打开一个会话（Session）来执行参数初始化和输送数据等任务。例如在计算机视觉中，需要随机初始化整个模型参数数值，并将图像成批（图像数等于批量大小）地输送到定义好的卷积神经网络中。

第三步更新权重并获取返回值，控制训练过程与获得最终的预测结果。

TensorFlow 线性回归示例

线性回归模型如下图所示

其中「×」为数据点，找到一条直线最好地拟合这些数据点，这条直线和数据点之间的距离即损失函数，所以我们希望找到一条能令损失函数值最小的直线。以下是使用 TensorFlow 构建线性回归的简单示例。

1、构建目标函数(即直线)

目标函数即 H(x)=Wx+b，其中 x 是特征向量、W是特征向量中每个元素对应的权重(Weight)、b(Bias)是偏置项。

# 用来训练模型的样本数据

x_train = [1, 2, 3]

y_train = [1, 2, 3]

W = tf.Variable(tf.random_normal([1]), name='weight')

b = tf.Variable(tf.random_normal([1]), name='bias')

# hypothesis函数 XW+b

hypothesis = x_train * W + b

如上所示定义了 y=wx+b 的运算，即需要拟合的一条直线。

2、构建损失函数

下面构建损失函数，即各数据点到该直线的距离，这里构建的损失函数是均方误差函数：

该函数表明根据数据点预测的值和该数据点真实值之间的距离，代码实现：

# 代价/损失 函数

cost = tf.reduce_mean(tf.square(hypothesis - y_train))

其中 tf.square() 是取某个数的平方， tf.reduce_mean() 是取均值。

3、采用梯度下降更新权重

α是学习速率(Learning rate)，控制学习速度，需要调节的超参数。

# 最小化

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01)

train = optimizer.minimize(cost)

为了寻找能拟合数据的最好直线，需要最小化损失函数，即数据与直线之间的距离，采用梯度下降算法。

4、 运行计算图开始训练模型

# 打开一个会话Session

sess = tf.Session()

# 初始化变量

sess.run(tf.global_variables_initializer())

# 迭代

for step in range(2000):

sess.run(train)

if step % 200 == 0:

print(step, sess.run(cost), sess.run(W), sess.run(b))

上面的代码打开了一个会话并执行变量初始化和输送数据。

5、完整的实现代码

6、某次训练时的输出

step(s): 0001 cost = 0.595171

step(s): 0201 cost = 0.002320

step(s): 0401 cost = 0.000886

step(s): 0601 cost = 0.000338

step(s): 0801 cost = 0.000129

step(s): 1001 cost = 0.000049

step(s): 1201 cost = 0.000019

step(s): 1401 cost = 0.000007

step(s): 1601 cost = 0.000003

step(s): 1801 cost = 0.000001

四、简单小结

本文简述了使用TensorFlow训练模型的过程，无论设计多么复杂的神经网络，都可以参考以上过程，当然在实际生产中还需要考虑很多因素，比如：样本数据的收集、样本数据的预处理、模型的选择和神经网络的设计、过拟合/欠拟合问题、梯度消失/膨胀问题、超参数的设置、是否需要GPU和分布式加快训练速度等等。

在设计深度网络时需要注意每层神经元的维度，这个地方容易出错，特别是层数深、每层神经元数量多的复杂神经网络， 参见《介绍一个快速确定神经网络模型中各层矩阵维度的方法》。

ps：目前多个厂家都推出了机器学习公有平台，一般都会支持TensorFlow，在公有平台上学习AI算法比自己搭建平台省心。