keras函数式编程(多任务学习，共享网络层)

https://keras.io/zh/

https://keras.io/zh/getting-started/functional-api-guide/

https://github.com/keras-team/keras/tree/master/examples

Keras 函数式 API 是定义复杂模型（如多输出模型、有向无环图，或具有共享层的模型）的方法。  函数式API： https://keras.io/zh/models/model/

• 网络层的实例是可调用的，它以张量为参数，并且返回一个张量
• 输入和输出均为张量，它们都可以用来定义一个模型（Model）
• 这样的模型同 Keras 的 Sequential 模型一样，都可以被训练

from keras.layers import Input, Dense
from keras.models import Model

# 这部分返回一个张量
inputs = Input(shape=(784,))

# 层的实例是可调用的，它以张量为参数，并且返回一个张量
x = Dense(64, activation='relu')(inputs)
x = Dense(64, activation='relu')(x)
predictions = Dense(10, activation='softmax')(x)

# 这部分创建了一个包含输入层和三个全连接层的模型
model = Model(inputs=inputs, outputs=predictions)
model.compile(optimizer='rmsprop',
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])
model.fit(data, labels)  # 开始训练

函数式API用途一：多输入多输出模型（多任务学习MTL）

预测 Twitter 上的一条新闻标题有多少转发和点赞数。模型的主要输入将是新闻标题本身，即一系列词语，同时还添加了其他的辅助输入来接收额外的数据，例如新闻标题的发布的时间等。 该模型也将通过两个损失函数进行监督学习。

模型结构：

 => 通过函数式API实现该模型。

主要输入接收新闻标题本身，即一个整数序列（每个整数编码一个词）。 这些整数在 1 到 10,000 之间（10,000 个词的词汇表），且序列长度为 100 个词。

from keras.layers import Input, Embedding, LSTM, Dense
from keras.models import Model

# 标题输入：接收一个含有 100 个整数的序列，每个整数在 1 到 10000 之间。
# 注意我们可以通过传递一个 "name" 参数来命名任何层。
main_input = Input(shape=(100,), dtype='int32', name='main_input')

# Embedding 层将输入序列编码为一个稠密向量的序列，
# 每个向量维度为 512。  x为向量序列，100个向量，每个向量维度为512
x = Embedding(output_dim=512, input_dim=10000, input_length=100)(main_input)

# LSTM 层把向量序列转换成单个向量，输出32维向量
# 它包含整个序列的上下文信息
lstm_out = LSTM(32)(x)

插入辅助损失，使得即使在模型主损失很高的情况下，LSTM 层和 Embedding 层都能被平稳地训练：

auxiliary_output = Dense(1, activation='sigmoid', name='aux_output')(lstm_out)

将辅助输入数据与 LSTM 层的输出连接起来，输入到模型中：

auxiliary_input = Input(shape=(5,), name='aux_input')
x = keras.layers.concatenate([lstm_out, auxiliary_input]) # 这里是如何连接的？ 行向量与列向量。后续可以输出测试数据看一下

# 堆叠多个全连接网络层
x = Dense(64, activation='relu')(x)
x = Dense(64, activation='relu')(x)
x = Dense(64, activation='relu')(x)

# 最后添加主要的逻辑回归层
main_output = Dense(1, activation='sigmoid', name='main_output')(x)

定义一个具有两个输入和两个输出的模型：

model = Model(inputs=[main_input, auxiliary_input], outputs=[main_output, auxiliary_output])

编译模型，并给辅助损失分配一个 0.2 的权重。如果要为不同的输出指定不同的 loss_weights或 loss，可以使用列表或字典。 在这里，我们给 loss 参数传递单个损失函数，这个损失将用于所有的输出：

model.compile(optimizer='rmsprop',
              loss={'main_output': 'binary_crossentropy', 'aux_output': 'binary_crossentropy'},
              loss_weights={'main_output': 1., 'aux_output': 0.2})

# 然后使用以下方式训练：
model.fit({'main_input': headline_data, 'aux_input': additional_data},
          {'main_output': labels, 'aux_output': labels},
          epochs=50, batch_size=32)

辅助损失函数反向传播：

（多任务学习中）辅助损失函数记为loss_0，主损失函数记为loss_1， 有两种反向传播方法：1、用loss=loss_0+loss_1，然后再梯度反传； 2、分别loss_0和loss_1去反向传播； 一般情况下会设置两个loss的比例，作为一个超参数进行调整，上述直接相加就相当于1:1。如果两个loss分别训练, 就是给问题两个优化目标, 如果两个loss的优化方向有差别, 可能导致优化结果波动，难以收敛。

函数式API用途二：共享网络层

建立一个模型来分辨两条推文是否来自同一个人（例如，通过推文的相似性来对用户进行比较）。实现这个目标的一种方法是建立一个模型，将两条推文编码成两个向量，连接向量，然后添加逻辑回归层；这将输出两条推文来自同一作者的概率。模型将接收一对对正负表示的推特数据。

由于这个问题是对称的，编码第一条推文的机制应该被完全重用来编码第二条推文（权重及其他全部）。这里我们使用一个共享的 LSTM 层来编码推文。

首先我们将一条推特转换为一个尺寸为 (280, 256) 的矩阵，即每条推特 280 字符，每个字符为 256 维的 one-hot 编码向量 （取 256 个常用字符）。

import keras
from keras.layers import Input, LSTM, Dense
from keras.models import Model

tweet_a = Input(shape=(280, 256))
tweet_b = Input(shape=(280, 256))

要在不同的输入上共享同一个层，只需实例化该层一次，然后根据需要传入你想要的输入即可：

# 这一层可以输入一个矩阵，并返回一个 64 维的向量
shared_lstm = LSTM(64)

# 当我们重用相同的图层实例多次，图层的权重也会被重用 (它其实就是同一层)
encoded_a = shared_lstm(tweet_a)
encoded_b = shared_lstm(tweet_b)

# 然后再连接两个向量：
merged_vector = keras.layers.concatenate([encoded_a, encoded_b], axis=-1)

# 再在上面添加一个逻辑回归层
predictions = Dense(1, activation='sigmoid')(merged_vector)

# 定义一个连接推特输入和预测的可训练的模型
model = Model(inputs=[tweet_a, tweet_b], outputs=predictions)

model.compile(optimizer='rmsprop',
              loss='binary_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])
model.fit([data_a, data_b], labels, epochs=10)

层(节点)的概念 ： 获取多输入layer的输出

每当你在某个输入上调用一个层时，都将创建一个新的张量（层的输出），并且为该层添加一个「节点」，将输入张量连接到输出张量。当多次调用同一个图层时，该图层将拥有多个节点索引 (0, 1, 2...)。

在之前版本的 Keras 中，可以通过 layer.get_output() 来获得层实例的输出张量，或者通过 layer.output_shape 来获取其输出形状。现在你依然可以这么做（除了 get_output() 已经被 output 属性替代）。但是如果一个层与多个输入连接呢？

只要一个层仅仅连接到一个输入，就不会有困惑，.output 会返回层的唯一输出：

a = Input(shape=(280, 256))

lstm = LSTM(32)
encoded_a = lstm(a)

assert lstm.output == encoded_a

但是如果该层有多个输入，那就会出现问题：

a = Input(shape=(280, 256))
b = Input(shape=(280, 256))

lstm = LSTM(32)
encoded_a = lstm(a)
encoded_b = lstm(b)

lstm.output

>> AttributeError: Layer lstm_1 has multiple inbound nodes,
hence the notion of "layer output" is ill-defined.
Use `get_output_at(node_index)` instead.

通过下面的方法可以解决：

assert lstm.get_output_at(0) == encoded_a
assert lstm.get_output_at(1) == encoded_b

input_shape 和 output_shape 这两个属性也是如此：只要该层只有一个节点，或者只要所有节点具有相同的输入/输出尺寸，那么「层输出/输入尺寸」的概念就被很好地定义，并且将由 layer.output_shape / layer.input_shape 返回。但是比如说，如果将一个 Conv2D 层先应用于尺寸为 (32，32，3) 的输入，再应用于尺寸为 (64, 64, 3) 的输入，那么这个层就会有多个输入/输出尺寸，你将不得不通过指定它们所属节点的索引来获取它们：

a = Input(shape=(32, 32, 3))
b = Input(shape=(64, 64, 3))

conv = Conv2D(16, (3, 3), padding='same')
conved_a = conv(a)

# 到目前为止只有一个输入，以下可行：
assert conv.input_shape == (None, 32, 32, 3)

conved_b = conv(b)
# 现在 `.input_shape` 属性不可行，但是这样可以：
assert conv.get_input_shape_at(0) == (None, 32, 32, 3)
assert conv.get_input_shape_at(1) == (None, 64, 64, 3)

更多的一些例子：

inception模型、残差网络、共享视觉模型、视觉问答模型等