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一文搞懂tensorflow2.0(5)

toyiye 2024-06-21 12:38 15 浏览 0 评论

优化算法

tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.05) SGD算法

tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.004,momentum=0.9) 动量法

tf.keras.optimizers.Adagrad(learning_rate=0.01) AdaGrad算法

tf.keras.optimizers.RMSprop(learning_rate=0.01,rho=0.9) RMSporop算法

tf.keras.optimizers.Adadelta(learning_rate=0.01,rho=0.9) Adadelta算法

keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.01) Adam算法


算法实现

%matplotlib inline
import numpy as np
import time
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import matplotlib.pyplot as plt

# 读取数据
def get_data():
    data = np.genfromtxt('airfoil_self_noise.dat', delimiter='\t')
    data = (data - data.mean(axis=0)) / data.std(axis=0)
    return tf.convert_to_tensor(data[:1500, :-1],dtype=tf.float32), tf.convert_to_tensor(data[:1500, -1],dtype=tf.float32)

features,labels = get_data()


# 定义训练函数
def train_tensorflow(trainer_name, features, labels,batch_size=10, num_epochs=2):
    # 初始化模型
    net = tf.keras.Sequential()
    
    net.add(tf.keras.layers.Dense(1))

    loss = tf.losses.MeanSquaredError()

    def eval_loss():
        return np.array(tf.reduce_mean(loss(net(features), labels)))

    ls = [eval_loss()]
    data_iter = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((features,labels)).batch(batch_size)
    data_iter = data_iter.shuffle(100)

    # 创建Trainer实例来迭代模型参数
    for _ in range(num_epochs):
        start = time.time()
        for batch_i, (X, y) in enumerate(data_iter):
            with tf.GradientTape() as tape:
                l = tf.reduce_mean(loss(net(X), y)) # 使用平均损失

            grads = tape.gradient(l, net.trainable_variables)
            trainer_name.apply_gradients(zip(grads, net.trainable_variables)) # 迭代模型参数
            if (batch_i + 1) * batch_size % 100 == 0:
                ls.append(eval_loss()) # 每100个样本记录下当前训练误差
    # 打印结果和作图
    print('loss: %f, time: %f ' % (ls[-1], time.time() - start))
    plt.figure()
    plt.plot(np.linspace(0, num_epochs, len(ls)), ls)
    plt.xlabel('epoch')
    plt.ylabel('loss')


# SGD算法
trainer1=tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.05)

train_tensorflow(trainer1, features, labels)

# 动量法 通过参数momentum来指定动量超参数
trainer2 = tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.004,momentum=0.9)

train_tensorflow(trainer2,features,labels)

# AdaGrad算法
trainer3 = tf.keras.optimizers.Adagrad(learning_rate=0.01)

train_tensorflow(trainer3,features,labels)

# RMSprop算法 超参数γ通过alpha指定
trainer4 = tf.keras.optimizers.RMSprop(learning_rate=0.01,rho=0.9)

train_tensorflow(trainer4,features,labels)

# Adadelta算法 超参数可以通过rho来指定
trainer5 = tf.keras.optimizers.Adadelta(learning_rate=0.01,rho=0.9)

train_tensorflow(trainer5,features,labels)

# Adam算法 时间步t通过hyperparams参数传入adam函数
trainer6 = keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.01)

train_tensorflow(trainer6,features,labels)


自编码器 MNIST-VAE实战

import  os
import  tensorflow as tf
import  numpy as np
from    tensorflow import keras
from    tensorflow.keras import Sequential, layers
from    PIL import Image
from    matplotlib import pyplot as plt


def save_images(imgs, name):
    new_im = Image.new('L', (280, 280))

    index = 0
    for i in range(0, 280, 28):
        for j in range(0, 280, 28):
            im = imgs[index]
            im = Image.fromarray(im, mode='L')
            new_im.paste(im, (i, j))
            index += 1

    new_im.save(name)


h_dim = 20
batchsz = 512
lr = 1e-3


(x_train, y_train), (x_test, y_test) = keras.datasets.fashion_mnist.load_data()
x_train, x_test = x_train.astype(np.float32) / 255., x_test.astype(np.float32) / 255.
# we do not need label
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x_train)
train_db = train_db.shuffle(batchsz * 5).batch(batchsz)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x_test)
test_db = test_db.batch(batchsz)

print(x_train.shape, y_train.shape)
print(x_test.shape, y_test.shape)

z_dim = 10

class VAE(keras.Model):

    def __init__(self):
        super(VAE, self).__init__()

        # Encoder
        self.fc1 = layers.Dense(128)
        self.fc2 = layers.Dense(z_dim) # get mean prediction
        self.fc3 = layers.Dense(z_dim)

        # Decoder
        self.fc4 = layers.Dense(128)
        self.fc5 = layers.Dense(784)

    def encoder(self, x):

        h = tf.nn.relu(self.fc1(x))
        # get mean
        mu = self.fc2(h)
        # get variance
        log_var = self.fc3(h)

        return mu, log_var

    def decoder(self, z):

        out = tf.nn.relu(self.fc4(z))
        out = self.fc5(out)

        return out

    def reparameterize(self, mu, log_var):

        eps = tf.random.normal(log_var.shape)

        std = tf.exp(log_var*0.5)

        z = mu + std * eps
        return z

    def call(self, inputs, training=None):

        # [b, 784] => [b, z_dim], [b, z_dim]
        mu, log_var = self.encoder(inputs)
        # reparameterization trick
        z = self.reparameterize(mu, log_var)

        x_hat = self.decoder(z)

        return x_hat, mu, log_var


model = VAE()
model.build(input_shape=(4, 784))
optimizer = tf.optimizers.Adam(lr)

for epoch in range(1000):

    for step, x in enumerate(train_db):

        x = tf.reshape(x, [-1, 784])

        with tf.GradientTape() as tape:
            x_rec_logits, mu, log_var = model(x)

            rec_loss = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=x, logits=x_rec_logits)
            rec_loss = tf.reduce_sum(rec_loss) / x.shape[0]

            # compute kl divergence (mu, var) ~ N (0, 1)
            # https://stats.stackexchange.com/questions/7440/kl-divergence-between-two-univariate-gaussians
            kl_div = -0.5 * (log_var + 1 - mu**2 - tf.exp(log_var))
            kl_div = tf.reduce_sum(kl_div) / x.shape[0]

            loss = rec_loss + 1. * kl_div

        grads = tape.gradient(loss, model.trainable_variables)
        optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_variables))


        if step % 100 == 0:
            print(epoch, step, 'kl div:', float(kl_div), 'rec loss:', float(rec_loss))


    # evaluation
    z = tf.random.normal((batchsz, z_dim))
    logits = model.decoder(z)
    x_hat = tf.sigmoid(logits)
    x_hat = tf.reshape(x_hat, [-1, 28, 28]).numpy() *255.
    x_hat = x_hat.astype(np.uint8)
    save_images(x_hat, 'vae_images/sampled_epoch%d.png'%epoch)

    x = next(iter(test_db))
    x = tf.reshape(x, [-1, 784])
    x_hat_logits, _, _ = model(x)
    x_hat = tf.sigmoid(x_hat_logits)
    x_hat = tf.reshape(x_hat, [-1, 28, 28]).numpy() *255.
    x_hat = x_hat.astype(np.uint8)
    save_images(x_hat, 'vae_images/rec_epoch%d.png'%epoch)

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