16- TensorFlow实现线性回归和逻辑回归 (TensorFlow系列) (深度学习)

知识要点

线性回归要点:

• 生成线性数据: x = np.linspace(0, 10, 20) + np.random.rand(20)
• 画点图: plt.scatter(x, y)
• TensorFlow定义变量: w = tf.Variable(np.random.randn() * 0.02)
• tensor 转换为 numpy数组: b.numpy()
• 定义优化器: optimizer = tf.optimizers.SGD()
• 定义损失:  tf.reduce_mean(tf.square(y_pred - y_true))   # 求均值
• 自动微分: tf.GradientTape()
• 计算梯度: gradients = g.gradient(loss, [w, b])
• 更新w, b: optimizer.apply_gradients(zip(gradients, [w, b]))

逻辑回归要点:

• 查看安装文件: pip list
• 聚类数据生成器: make_blobs
• 生成聚类数据: data, target = make_blobs(centers = 3)
• 转换为tensor 数据: x = tf.constant(data, dtype = tf.float32)
• 定义tensor变量: B = tf.Variable(0., dtype = tf.float32)
• 矩阵运算: tf.matmul(x, W)
• 返回值长度为batch_size的一维Tensor: tf.sigmoid(linear)
• 调整形状: y_pred = tf.reshape(y_pred, shape = [100])
• tf.clip_by_value(A, min, max)：输入一个张量A，把A中的每一个元素的值都压缩在min和max之间。
• 求均值: tf.reduce_mean()
• 定义优化器: optimizer = tf.optimizers.SGD()
• 计算梯度: gradients = g.gradient(loss, [W, B])    # with tf.GradientTape() as g
• 迭代更新W, B: optimizer.apply_gradients(zip(gradients, [W, B]))
• 准确率计算: (y_ == y_true).mean()

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1 使用tensorflow实现 线性回归

实现一个算法主要从以下三步入手:

1. 找到这个算法的预测函数, 比如线性回归的预测函数形式为:y = wx + b,

2. 找到这个算法的损失函数 , 比如线性回归算法的损失函数为最小二乘法

3. 找到让损失函数求得最小值的时候的系数, 这时一般使用梯度下降法.

使用TensorFlow实现算法的基本套路:

1. 使用TensorFlow中的变量将算法的预测函数, 损失函数定义出来.

2. 使用梯度下降法优化器求损失函数最小时的系数

3. 分批将样本数据投喂给优化器,找到最佳系数

1.1 导包

import numpy as np
import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LinearRegression

1.2 生成线性数据

# 生成线性数据
x = np.linspace(0, 10, 20) + np.random.rand(20)
y = np.linspace(0, 10, 20) + np.random.rand(20)
plt.scatter(x, y)

1.3 初始化斜率变量

# 把w,b 定义为变量
w = tf.Variable(np.random.randn() * 0.02)
b = tf.Variable(0.)
print(w.numpy(), b.numpy())  # -0.031422824  0.0

1.4 定义线性模型和损失函数

# 定义线性模型
def linear_regression(x):return w * x +b# 定义损失函数
def mean_square_loss(y_pred, y_true):return tf.reduce_mean(tf.square(y_pred - y_true))

1.5 定义优化过程

# 定义优化器
optimizer = tf.optimizers.SGD()
# 定义优化过程
def run_optimization():# 把需要求导的计算过程放入gradient pape中执行,会自动实现求导with tf.GradientTape() as g:pred = linear_regression(x)loss = mean_square_loss(pred, y)# 计算梯度gradients = g.gradient(loss, [w, b])# 更新w, boptimizer.apply_gradients(zip(gradients, [w, b]))

1.6 执行迭代训练过程

# 训练
for step in range(5000):run_optimization()   # 持续迭代w, b# z展示结果if step % 100 == 0:pred = linear_regression(x)loss = mean_square_loss(pred, y)print(f'step:{step}, loss:{loss}, w:{w.numpy()}, b: {b.numpy()}')

 1.7 线性拟合

linear = LinearRegression()  # 线性回归
linear.fit(x.reshape(-1, 1), y)plt.scatter(x, y)
x_test = np.linspace(0, 10, 20).reshape(-1, 1)
plt.plot(x_test, linear.coef_ * x_test + linear.intercept_, c='r')  # 画线
plt.plot(x_test, w.numpy() * x_test + b.numpy(), c='g', lw=10, alpha=0.5)  # 画线

2. 使用TensorFlow实现 逻辑回归

实现逻辑回归的套路和实现线性回归差不多, 只不过逻辑回归的目标函数和损失函数不一样而已.

使用tensorflow实现逻辑斯蒂回归

1. 找到预测函数 :
2. 找到损失函数 : -(y_true * log(y_pred) + (1 - y_true)log(1 - y_pred))
3. 梯度下降法求损失最小的时候的系数

2.1 导包

import  tensorflow as tf
from sklearn.datasets import make_blobs
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

• 聚类数据生成器: make_blobs

2.2 描聚类数据点

data, target = make_blobs(centers = 3)
plt.scatter(data[:, 0] , data[:, 1], c = target)
x = data.copy()
y = target.copy()
print(x.shape, y.shape)  # (100, 2) (100,)

 2.3 数据转换为张量 (tensor)

x = tf.constant(data, dtype = tf.float32)
y = tf.constant(target, dtype = tf.float32)

2.4 定义预测函数

# 定义预测变量
W = tf.Variable(np.random.randn(2, 1) * 0.2, dtype = tf.float32)
B = tf.Variable(0., dtype = tf.float32)

2.5 定义目标函数

def sigmoid(x):linear = tf.matmul(x, W) + Breturn tf.nn.sigmoid(linear)

2.6 定义损失

# 定义损失
def cross_entropy_loss(y_true, y_pred):# y_pred 是概率,存在可能性是0, 需要进行截断y_pred = tf.reshape(y_pred, shape = [100])y_pred = tf.clip_by_value(y_pred, 1e-9, 1)return tf.reduce_mean(-(tf.multiply(y_true, tf.math.log(y_pred)) + tf.multiply((1 - y_pred),tf.math.log(1 - y_pred))))

2.7 定义优化器

# 定义优化器
optimizer = tf.optimizers.SGD()def run_optimization():with tf.GradientTape() as g:# 计算预测值pred = sigmoid(x)  # 结果为概率loss = cross_entropy_loss(y, pred)#计算梯度gradients = g.gradient(loss, [W, B])# 更新W, Boptimizer.apply_gradients(zip(gradients, [W, B]))

2.8 定义准确率

# 计算准确率
def accuracy(y_true, y_pred):# 需要把概率转换为类别# 概率大于0.5 可以判断为正例y_pred = tf.reshape(y_pred, shape = [100])y_ = y_pred.numpy() > 0.5y_true = y_true.numpy()return (y_ == y_true).mean()

2.9 开始训练

# 定义训练过程
for i in range(5000):run_optimization()if i % 100 == 0:pred = sigmoid(x)acc = accuracy(y, pred)loss = cross_entropy_loss(y, pred)print(f'训练次数:{i}, 准确率: {acc}, 损失: {loss}')