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读懂一个 Demo就能入门机器学习?

李静文2020-06-30 07:30 | 人气:261

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我们总有一种感觉,机器学习门槛高、难入门。这是因为这里有太多晦涩的概念「神经网络」、「评估指标」、「优化算法」等让初学者老是有种盲人摸象的感觉。甚至连理解一个 Tensorflow 官方 Demo 都感觉吃力,因此不少开发者就有过「机器学习从入门到放弃」的经历。本文站在全局视角,通过分析一个 TensorFlow 官方的 Demo 来达到俯瞰一个「机器学习」系统的效果,从而让读者看清这个头大象的全貌,帮助初学者入门「机器学习」。

理解机器学习

「机器学习」的目的就是利用已有答案来寻找规则,从而做出预测。

  • 「传统系统」的目标是获得答案

  • 「机器学习」的目标是利用已有答案获得规则

正是因为「机器学习」的目标是获得规则,人们便可以拿它来做各种预测:股票走势、彩票号码、服饰推荐、甚至预测员工何时离职。图片识别本质上也是找到规则。比如要识别一张图片物体是否有一只猫咪,那么胡须、耳朵、绒毛等都可以作为猫咪的特征值,而定义特征值就是在定义成为一只猫的组成规则。

详解一个机器学习 Demo

学习一项技能最好方法就是去使用它。这部分我们来看一个 TensorFlow Demo。TensorFlow 是 Google 推出的深度学习框架,基本信息我就不多做介绍了。我要介绍的是如何读懂这个 Demo。你可能会问,一个 Demo 有那么难懂么?对于「机器学习」的初学者来说,如若不懂「神经网络」、「损失函数」、「评估指标」等概念,还真是挺难读懂一个 Demo 的。

看下这个 Demo,代码不多,我全部贴出来了。看到这部分代码的全貌,什么感觉?我第一次读到的感觉是:「语法都能看懂,但就是不知道你这是要干啥!」如果你也有这样的感觉,那么我建议你认真把这篇文章读完。这个 Demo 实际上是要训练一个可以识别手写数字的模型(Model), 要识别的手写数字长这样:你也许一下子会有很多问号。手写数字?图片在哪?怎么识别?别急,下面我来为大家详解这个 Demo。

数据准备

人工智能领域中的数据是什么?我们从 TensorFlow 这个框架的名字中就能看出来 -- Tensor(张量)形成的 Flow(流)。在「人工智能」领域,绝大部分数据都是以 Tensor 的形式存在,而 Tensor 可以直接理解成多维数组。

举个例子: 要把一张图片输入到人工智能模型中。我们第一反应是要先把图片数字化,用 Base64 来表示这张图、或者用二进制等等。但是对于人工智能系统,最佳方式是把图片转换成 Tensor。我们试试用 Tensor 来表示一张 像素 3*3 、背景为白色、对角线为黑色的图片:

运行代码之后,我们就得到了那张对角线是黑色的 3*3 图片。这就是用一个四阶 Tensor 表示一张图片,Tensor 形状为 (1, 3, 3) 。同理如果要表示 6000 张 28*28 的图片,那么 Tensor 的形状就是  (6000, 28, 28)

现在我们阅读第一部分的代码:「MNIST」(Mixed National Institute of Standards and Technology database) 是美国国家标准与技术研究院收集整理的大型手写数字数据库,包含 60,000 个示例的训练集以及 10,000 个示例的测试集,里面的图片长这样。这些图片都是通过空间的矩阵的方式存储的:

这样我们就明白这段代码的意思了,是从 mnist 中获取用于训练的的数据集集( x_trian,y_train ),以及用于测试的数据集( x_test,y_test )。

  • x_trian 形状为 (6000, 28, 28) ,表示 6000 张 28*28的图片。

  • y_trian 形状为 (6000,),表示 x_train 对应的数字答案。

模型(model)是什么

得到了数据集之后,是不是可以开始训模型了?别急,我们要搞清楚模型是什么,Tensorflow 文档是这样定义模型:

在机器学习中,模型( Model )是一个具有可学习参数的函数,它将输入映射到输出。最优参数是通过在数据上训练模型获得的。一个训练有素的模型将提供从输入到所需输出的精确映射。

我来帮你们翻译一下这个定义:模型是个函数,这里面内置了很多参数,这些参数的值会直接影响模型的输出结果。有意思的是这些参数都是可学习的,它们可以根据训练数据的来进行调整来达到一组最优值,使得模型的输出效果最理想。

  • 那么模型里参数又是什么?

  • Demo 当中模型传入的 4 个Layer 又是什么含义?

  • 模型又是如何训练的?

想要知道这些问题答案,那么:「先生小姐,泳泳健身,呃不。神经网络,了解一下」

神经网络 ( Neural Network )

神经网络 ( Neural Network )顾名思义,就是用神经元 ( Neuron )连接而成的网络( Network )。那么什么是神经元?

机器学习中的神经元( Neuron ) 源于生物神经网络 -- 通过电位变化表示“兴奋”的生物神经元。在机器学习领域,一个神经元其实是一个计算单元。它需要被输入N 个信号后开始计算(兴奋),这些信号通过带权重(weights)的连接传递给了神经元,神经元通过加权求和,计算出一个值。然后这个值会通过激活函数( activation function )的处理,产生输出,通常是被压缩在 0~1 之间的数字。

Demo 当中,第一个 Layer 就是把就是把 28*28 的图片展开成一个包含 784 个神经元一维数组。

...
tf.keras.layers.Flatten(input_shape=(, )),
...
 

第二个 Layer:

...
tf.keras.layers.Dense(, activation=),
...
 

Layer2 传入了参数 activation='relu',意思是用 relu 作为激活函数 。我们先来理解下什么是「激活函数」,

当我们的大脑同时接收到大量信息时,它会努力理解并将信息分为 「有用 」和 「不那么有用 」的信息。在神经网络的情况下,我们需要一个类似的机制来将输入的信息分为 「有用 」或 「不太有用」。这对机器学习很重要,因为不是所有的信息都是同样有用的,有些信息只是噪音。这就是激活函数的作用,激活函数帮助网络使用重要的信息,抑制不相关的数据点。

例如 Demo 中,Layer1 输出 784 个神经元,并不是全部激活的。而只有激活神经元才能对 Layer2 产生刺激,而 layer4 输出10个神经元,其中第 2 个神经元激活,表示识别结果为 1 的概率是 99%。

所以 relu 是激活函数的一种,用于神经元的激活 -- 根据上一个 Layer 给予的刺激算出神经元最后输出(显示)的那个数字。Layer2 层有 128个神经元,这128个神经元会和 Layer1 中 728 个神经元相互连接,共将产生 728 * 128 =93184 权重(weights)各自不同的连接 。Layer1 中神经元的输出将与连接到 layer2 的权重值进行加权求和,得到的结果会被带入 relu 函数,最终输出一个新的值作为 Layer2 中神经元的输出。

第三个 Layer

...  
tf.keras.layers.Dropout(),
...
 

Dropout layer 的主要作用就是防止过度拟合。过渡拟合现象主要表现是:最终模型在训练集上效果好;在测试集上效果差。模型泛化能力弱。Dropout 解决过度拟合的办法之一,就是随机丢弃一部神经元。Demo 当中就是使用 Dropout 随机丢弃 20% 神经元。

第四个 Layer

...
tf.keras.layers.Dense(, activation=)
...
 

Layer4 上有 10 个神经元,并使用 softmax作为激活函数,这 10个神经元的输出就是最终结的结果。下图为识别一个手写数字 1 的整个过程,各层神经元逐层激活,最终输出预测结果。

到这里,我们通过了解 4 个Layer之间的作用关系简单的了解了一个神经网络的运作方式。

模型训练补充

要读懂这段代码,我们要先通过一个类比来理解下什么是: 损失函数( Loss Function )优化算法( Optimization Algorithms )评价指标( Evaluation Metrics )假如一名男士要开始锻炼身体,目标是胸围达到 120cm,且身材看起来匀称(别太壮):

  • 经过反复训练,他的胸围达到了 110cm,那么我们可以把Loss = |目标(120cm)- 当前(110cm)|作为一个最简单的损失函数(Loss Function)。而 Demo 中的 Loss Function 用的是 - 稀疏类别交叉熵(sparse_categorical_crossentropy),这个算法的特点就是擅长分类。

  • 是否达成目标,不能仅仅使用损失函数来判断。身材匀称、美观也很重要,而评价指标(Evaluation Metrics )的作用就给我们提供了一个评判标准。

  • 接下来我们就要寻找产生 Loss 的规律,Loss 不仅仅是胸围小于 120cm 的损失,胸围大于 120cm 而导致美感损失也是 Loss 的一部分。因此想达到最佳效果,既不能运动量不足也不能用力过猛,要找到一个平衡力量和美感的中间值。我们给予训练要素不同的权重( Weights ),蛋白质补充权重为w0、胸肌上沿训练强度w1、胸肌中部训练强度w2、胸肌下沿训练强度w3、有氧运动训练强度w4 等等。最后得到一个权重的一维数组 [w1, w2...wn] 。像这样,通过不断调整 [w1, w2...wn] 得出最优输出的方法,就是优化算法( Optimization Algorithms )。

了神经网络的模型、层、权重、优化算法、损失函数以及评估指标等之后,我们就可以读懂 Demo 中那段代码了。现在尝试画一张神经网络的工作流程图,串一串一个神经网络的工作流程。

训练与测试

这部分很好理解,带入数据训练、测试就好。说一下 epochs 。在神经网络领域,一个 epoch 是指整个训练数据集的训练一个周期。1 epoch = 1正向传播( forward pass )+ 1 反向传播( backward pass )(我们可以简单的理解,正向传播目的是为了获得预测结果,反向传播目的是调整到最优的权重(weights),来让 Loss 最小化。)

Demo 中 epochs = 5 是因为 1次 epoch 很可能得不到最优的权重(weights)。既然 1 次不能满足,那就 5 次,5 次还不满足就 10 次,直到效果最小化 Loss 的效果不再变化。


总结

如果认真阅读了本文,那么我相信你已经对人工智能已经有了一点整体的认识,本文给了你一个鸟瞰人工智能的视角,摆脱了盲人摸象的感觉。这虽然不是魔法,能立刻把你变成人工智能大神,但对基本架构的进一步理解会增强你对人工智能的自学能力。无论你是从事前端、后端、全栈等技术开发者,或者只是对人工智能感兴趣,我都希望本文可以带给你一个新的视角去理解人工智能,让你读有所思,思有所得,得有所想,想有所获,获有所益。

原文地址:读懂一个 Demo就能入门机器学习?


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