tensorflow.keras入门3

tensorflow.keras入门3-回归

波士顿房价数据集
波士顿数据集是一个回归问题。每个类的观察值数量是均等的,共有 506 个观察,13 个输入变量和1个输出变量。每条数据包含房屋以及房屋周围的详细信息。其中包含城镇犯罪率,一氧化氮浓度,住宅平均房间数,到中心区域的加权距离以及自住房平均房价等等。
但是对于回归问题,需要读取数据后需要将数据集打散,代码如下:

boston_housing = keras.datasets.boston_housing
(train_data, train_labels), (test_data, test_labels) = boston_housing.load_data()
#打散数据集
order = np.argsort(np.random.random(train_labels.shape))
train_data = train_data[order]
train_labels = train_labels[order]

数据集标签展示:

import pandas as pd
column_names = ['CRIM', 'ZN', 'INDUS', 'CHAS', 'NOX', 'RM', 'AGE', 'DIS', 'RAD','TAX', 'PTRATIO', 'B', 'LSTAT']
df = pd.DataFrame(train_data, columns=column_names)
df.head()
CRIM ZN INDUS CHAS NOX RM AGE DIS RAD TAX PTRATIO B LSTAT
0 0.07875 45.0 3.44 0.0 0.437 6.782 41.1 3.7886 5.0 398.0 15.2 393.87 6.68
1 4.55587 0.0 18.10 0.0 0.718 3.561 87.9 1.6132 24.0 666.0 20.2 354.70 7.12
2 0.09604 40.0 6.41 0.0 0.447 6.854 42.8 4.2673 4.0 254.0 17.6 396.90 2.98
3 0.01870 85.0 4.15 0.0 0.429 6.516 27.7 8.5353 4.0 351.0 17.9 392.43 6.36
4 0.52693 0.0 6.20 0.0 0.504 8.725 83.0 2.8944 8.0 307.0 17.4 382.00 4.63

数据归一化
据的标准化(normalization)是将数据按比例缩放,使之落入一个小的特定区间。在某些比较和评价的指标处理中经常会用到,去除数据的单位限制,将其转化为无量纲的纯数值,便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。

#z-score 标准化
mean = train_data.mean(axis=0)
std = train_data.std(axis=0)
train_data = (train_data - mean) / std
test_data = (test_data - mean) / std

模型训练和预测—模型建立和训练
模型建立的通用模式为网络结构确定(网络层数,节点数,输入,输出)、模型训练参数确定(损失函数,优化器、评价标准)、模型训练(训练次数,批次大小)

#z-score 标准化
mean = train_data.mean(axis=0)
std = train_data.std(axis=0)
train_data = (train_data - mean) / std
test_data = (test_data - mean) / std
#模型建立函数
def build_model():
  model = keras.Sequential([
    keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu, 
                       input_shape=(train_data.shape[1],)),
    keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu),
    keras.layers.Dense(1)
  ])
  optimizer = tf.train.RMSPropOptimizer(0.001)
 
  model.compile(loss='mse',
                optimizer=optimizer,
                metrics=['mae']) #平均绝对误差
  return model
#建立模型
model = build_model()
#模型结构显示
model.summary()

模型的训练代码如下:

# 回调函数
class PrintDot(keras.callbacks.Callback):
  def on_epoch_end(self,epoch,logs):
    if epoch % 100 == 0: print('')
    print('.', end='')
EPOCHS = 500
#模型训练
history = model.fit(train_data, train_labels, epochs=EPOCHS,
                    validation_split=0.2, verbose=1, #verbose训练过程显示
                    callbacks=[PrintDot()]) #取测试集中的百分之20作为验证集

模型预测
调用history函数可以实现训练过程的可视化

#模型损失函数展示
def plot_history(history):
  plt.figure()
  plt.xlabel('Epoch')
  plt.ylabel('Mean Abs Error [1000$]')
  plt.plot(history.epoch, np.array(history.history['mean_absolute_error']), 
           label='Train Loss')
  plt.plot(history.epoch, np.array(history.history['val_mean_absolute_error']),
           label = 'Val loss')
  plt.legend()
  plt.ylim([0,5])
plot_history(history)

为了提前停止训练,可以通过设置回调函数EarlyStopping设置训练停止条件。

#停止条件设置,即验证集损失连续20次训练没有变化,即停止训练
early_stop = keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=20)
 
history = model.fit(train_data, train_labels, epochs=EPOCHS,
                    validation_split=0.2, verbose=0,
                    callbacks=[early_stop, PrintDot()])
 
plot_history(history)

模型预测代码如下:

test_predictions = model.predict(test_data).flatten()
print(test_predictions)

总体代码如下:

# TensorFlow and tf.keras
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
# 其他库
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#查看版本
print(tf.__version__)
boston_housing = keras.datasets.boston_housing
(train_data, train_labels), (test_data, test_labels) = boston_housing.load_data()
#打散数据集
order = np.argsort(np.random.random(train_labels.shape))
train_data = train_data[order]
train_labels = train_labels[order]
import pandas as pd
column_names = ['CRIM', 'ZN', 'INDUS', 'CHAS', 'NOX', 'RM', 'AGE', 'DIS', 'RAD','TAX', 'PTRATIO', 'B', 'LSTAT']
df = pd.DataFrame(train_data, columns=column_names)
df.head()
#z-score 标准化
mean = train_data.mean(axis=0)
std = train_data.std(axis=0)
train_data = (train_data - mean) / std
test_data = (test_data - mean) / std
#模型建立函数
def build_model():
  model = keras.Sequential([
    keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu, 
                       input_shape=(train_data.shape[1],)),
    keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu),
    keras.layers.Dense(1)
  ])
 
  optimizer = tf.train.RMSPropOptimizer(0.001)
 
  model.compile(loss='mse',
                optimizer=optimizer,
                metrics=['mae']) #平均绝对误差
  return model
#建立模型
model = build_model()
#模型结构显示
model.summary()
# 回调函数
class PrintDot(keras.callbacks.Callback):
  def on_epoch_end(self,epoch,logs):
    if epoch % 100 == 0: print('')
    print('.', end='') 
EPOCHS = 500 
#模型训练
history = model.fit(train_data, train_labels, epochs=EPOCHS,
                    validation_split=0.2, verbose=1, #verbose训练过程显示
                    callbacks=[PrintDot()]) #取测试集中的百分之20作为验证集
#模型损失函数展示
def plot_history(history):
  plt.figure()
  plt.xlabel('Epoch')
  plt.ylabel('Mean Abs Error [1000$]')
  plt.plot(history.epoch, np.array(history.history['mean_absolute_error']), 
           label='Train Loss')
  plt.plot(history.epoch, np.array(history.history['val_mean_absolute_error']),
           label = 'Val loss')
  plt.legend()
  plt.ylim([0,5])
plot_history(history)
model = build_model()
#停止条件设置,即验证集损失连续20次训练没有变化,即停止训练
early_stop = keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=20)
history = model.fit(train_data, train_labels, epochs=EPOCHS,
                    validation_split=0.2, verbose=0,
                    callbacks=[early_stop, PrintDot()])
 
plot_history(history)
test_predictions = model.predict(test_data).flatten()
print(test_predictions)

对于回归问题的官方总结:
1.均方误差(MSE)是一种常见的用于回归问题损失函数。
2.平均绝对误差(MAE)也是一种常用评价指标而不是精度。
3.对于输入数据,归一化是十分必要的。
4.训练数据较少,则模型结构较小更合适,防止过拟合。
5.提前停止是防止过拟合的好办法。

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