第三章:人工智能深度学习教程-基础神经网络(第二节-ANN 和 BNN 的区别)

在本文中，我们将了解单层感知器及其使用 TensorFlow 库在Python中的实现。神经网络的工作方式与我们的生物神经元的工作方式相同。

生物神经元的结构

生物神经元具有三个基本功能 

• 接收外部信号。

• 处理信号并增强是否需要发送信息。

• 将信号传递给目标细胞，目标细胞可以是另一个神经元或腺体。

同样，神经网络也能发挥作用。

机器学习中的神经网络

什么是单层感知器？

它是最古老且最早引入的神经网络之一。它是由弗兰克·罗森布拉特 (Frank Rosenblatt)于1958 年提出的。感知器也称为人工神经网络。感知器主要用于计算AND、OR、NOR等具有二进制输入和二进制输出的逻辑门。

感知器的主要功能是：-

• 从输入层获取输入

• 对它们进行加权并总结。

• 将总和传递给非线性函数以产生输出。

单层神经网络

这里的激活函数可以是sigmoid、tanh、relu等任何函数。根据需求，我们将选择最合适的非线性激活函数以产生更好的结果。现在让我们实现一个单层感知器。

单层感知器的实现

现在让我们使用 TensorFlow 库使用“MNIST”数据集实现一个单层感知器。

Step1：导入必要的库

• Numpy – Numpy 数组非常快，可以在很短的时间内执行大量计算。

• Matplotlib – 该库用于绘制可视化效果。

• TensorFlow – 这是一个用于机器学习和人工智能的开源库，提供一系列函数以通过单行代码实现复杂的功能。

Python3

import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import matplotlib.pyplot as plt
 
# 开启内联绘图
%matplotlib inline

步骤 2：现在使用导入版本的张量流中的“Keras”加载数据集。

Python3

(x_train, y_train), (x_test, y_test) = keras.datasets.mnist.load_data()

这段代码导入了一些常用的Python库，包括NumPy（用于数值计算）、TensorFlow（用于深度学习）、Keras（用于构建神经网络模型）以及Matplotlib（用于绘图和数据可视化）。通过 %matplotlib inline，我们可以在Jupyter Notebook或IPython环境中直接在输出单元格中显示图形，而不需要单独的窗口。

这些库的使用使得在进行深度学习和数据可视化任务时更加方便。

步骤 3：现在显示数据集中单个图像的形状和图像。图像大小包含28*28的矩阵，训练集长度为60,000，测试集长度为10,000。

Python3

# 获取训练集的长度
len(x_train)
 
# 获取测试集的长度
len(x_test)
 
# 获取第一个训练图像的形状
x_train[0].shape
 
# 显示第一个训练图像
plt.matshow(x_train[0])
 

这段代码执行以下操作：

1. len(x_train) 返回训练集中样本的数量。
2. len(x_test) 返回测试集中样本的数量。
3. x_train[0].shape 获取第一个训练图像的形状，通常是一个28x28像素的二维数组。
4. plt.matshow(x_train[0]) 用Matplotlib库显示第一个训练图像，可以通过该图像来查看手写数字的外观。

这些操作有助于了解MNIST数据集的规模和内容，并可以用于数据预处理和可视化。

输出：

来自训练数据集的样本图像

步骤 4：现在标准化数据集，以便快速准确地进行计算。

Python3

# 对数据集进行标准化
x_train = x_train / 255
x_test = x_test / 255
 
# 扁平化数据集以便进行模型构建
x_train_flatten = x_train.reshape(len(x_train), 28*28)
x_test_flatten = x_test.reshape(len(x_test), 28*28)

这段代码执行以下操作：

1. 对训练集 x_train 和测试集 x_test 进行标准化，将像素值从0到255的范围缩放到0到1的范围，这是一种常见的数据预处理步骤。

2. 扁平化数据集，将每个图像从一个二维数组（28x28像素）转换为一个一维数组（784个像素），以便于后续的模型构建。这是因为深度学习模型通常需要输入的是一维数据。

这些操作是为了准备数据以用于深度学习模型的训练，以便更好地处理图像数据。

第5步：构建具有单层感知的神经网络。在这里我们可以观察到，该模型是一个单层感知器，仅包含一个输入层和一个输出层，不存在隐藏层。  

Python3

model = keras.Sequential([
    keras.layers.Dense(10, input_shape=(784,), activation='sigmoid')
])
 
model.compile(
    optimizer='adam',
    loss='sparse_categorical_crossentropy',
    metrics=['accuracy']
)
 
model.fit(x_train_flatten, y_train, epochs=5)

这段代码执行以下操作：

1. 创建一个Keras顺序模型，该模型包含一个具有10个神经元的全连接层（keras.layers.Dense），输入形状为(784,)，激活函数为'sigmoid'。这是一个简单的神经网络模型。

2. 编译模型，指定优化器为'adam'，损失函数为'sparse_categorical_crossentropy'（适用于多类别分类问题），并选择评估指标为'accuracy'（准确度）。

3. 使用训练数据 x_train_flatten 和相应的标签 y_train 对模型进行训练，训练周期数为5（epochs=5）。

这些操作构建了一个简单的神经网络模型，并使用训练数据对其进行了训练，以便用于多类别分类任务，例如手写数字识别。

输出：

在训练过程中，通常会产生一系列的训练日志，包括损失和准确度等信息。这些信息会在训练的每个周期（epoch）后显示。由于这些信息的输出取决于您的运行环境，我无法提供确切的训练输出。您可以将代码放入一个Jupyter Notebook或Python脚本中运行以查看详细的训练输出。

通常，您可以期望在每个周期的训练输出中看到损失值和准确度的变化，以便跟踪模型的训练进展。当训练完成后，您可以使用模型进行预测，并评估其性能，例如在测试数据上计算准确度。这些步骤通常会在训练后的代码中进行。如果您有特定的输出或问题，可以提供更多详细信息，以便我能够提供更具体的帮助。

步骤6：输出模型在测试数据上的准确率。

Python3

model.evaluate(x_test_flatten, y_test)

这段代码执行了模型的评估操作，使用测试数据 x_test_flatten 和相应的测试标签 y_test 来计算模型在测试数据上的性能指标。这些性能指标通常包括损失值和准确度等，用于衡量模型在测试数据上的表现。评估的结果将根据模型的性能和测试数据而异，通常以一个包含指标值的列表返回。

输出：

[损失值, 准确度]

• 损失值 表示模型在测试数据上的损失值，通常是一个非负数，表示模型对测试数据的拟合程度。
• 准确度 表示模型在测试数据上的准确度，通常以百分比形式表示，表示模型在测试数据中正确分类的比例。

具体的数值将根据模型的训练和测试数据集而有所不同。您可以运行这段代码以查看实际的输出结果，以便了解模型在测试数据上的性能。