「周末AI课堂」常见隐藏单元(代码篇)机器学习你会遇到的“坑”

我们在上一节的《常见隐藏单元》（理论篇）中基于阶跃函数和线性函数逐渐改进了隐藏单元，比如sigmoid函数改进了阶跃函数不光滑以及梯度几乎为零的缺点，tanh又改进了sigmoid函数非零中心的问题，反正切函数又改进了tanh函数过早饱和的缺点，LeakyReLU改进了ReLU的死亡问题，PReLU则继续把原本的超参数变为一个可训练的参数，maxout单元又继续增强了激活函数的灵活性。

我们选取MNIST数据集作为材料，这是一个手写数字识别的任务，在机器学习和深度学习测试中被广泛使用，在keras中，我们只需要使用一条命令就可以将数据下载到本地。我们要验证不同的激活函数对于神经网络性能的影响，如果激活函数具有梯度消失的缺点，那么我们就将网络搭的尽可能深，从理论上来说，训练过程中梯度流从一层流入更深的层中，问题才会变得更严重。

需要注意的是，对于MNIST而言，每一张图片都是灰度图像，我们传入神经网络的是像素值，一个（28，28）的图像，我们需要设置输入维数为28*28；同时为了避免极端值对收敛和表示的影响，我们需要对图片做归一化，将所有像素值缩放到一个范围内；再者，我们需要对target做one-hot encoding，比如标签"5"，经过one-hot encoding就会变为[0,0,0,0,0,1,0,0,0,0]，因为原本的标签是有序的，不同的标签之间存在大小关系，比如"4"似乎比“5”更接近“3”，但这样是不合理的，one-hot encoding则会取消这样的序关系，使得距离（相似性）计算更加合理。

我们利用keras来进行上述的过程：

import numpy as np

from keras.datasets import mnist

from keras.utils import to_categorical

(X_train,y_train),(X_test,y_test)=mnist.load_data()

train_labels =to_categorical(y_train)

test_labels = to_categorical(y_test)

X_train_normal = X_train.reshape(60000,28*28)

X_train_normal = X_train_normal.astype('float32') /255

X_test_normal = X_test.reshape(10000, 28*28)

X_test_normal = X_test_normal.astype('float32') /255

我们获得了6万个训练样本，还有1万个测试样本，并分别做了one-hot encoding和归一化。我们接下来使用keras的Sequential模式来搭建网络，当网络简单而且结构较深的时候，这样的方式更加高效：

from keras import models

from keras.layers import Dense

from keras import optimizers

def normal_model(a):

model=models.Sequential()

model.add(Dense(512,activation=a,input_shape=(28*28,)))

model.add(Dense(256,activation=a))

model.add(Dense(128,activation=a))

model.add(Dense(64,activation=a))

model.add(Dense(10,activation='softmax'))

model.compile(optimizer=optimizers.SGD(momentum=0.9,nesterov=True),\

loss='categorical_crossentropy',metrics=['accuracy'])

return(model)

此处，我们引入了一个参数a用来指定激活函数的类型，因为keras的激活函数可以通过名字的简单的指定，我们将输出单元设置为softmax，这是一个与交叉熵有关的输出单元，我们使用了带有nestrov动量的随机梯度下降的优化算法，交叉熵作为Loss，准确率作为性能度量，函数最后会返回一个编译好的包含4个隐层的神经网络。

我们先来选取sigmoid函数作为激活函数，获取训练结果，保存在变量中：

model_1=normal_model('sigmoid')

his=model_1.fit(X_train_normal,train_labels,\

batch_size=128,\

validation_data=(X_test_normal,test_labels),\

verbose=1,epochs=10)

然后，我们可以绘制Loss随着epochs变化的图像：

import matplotlib.pyplot as plt

import seaborn as sns

sns.set(style='whitegrid')

plt.plot(range(20),his.history['val_loss'],label='validation loss')

plt.plot(range(20),his.history['loss'],label=' train loss')

plt.title('Loss')

plt.legend()

plt.show()

如图，采用sigmoid作为激活函数，Loss在第19个epochs时才会收敛，loss的最小值为0.25。

我们将激活函数换为Tanh，并重复上述步骤，预想到零中心化的激活会使得迭代更新的速度更快：

......

model_1=normal_model('tanh')

......

如图，tanh函数比起sigmoid函数，Loss下降的非常快，而且可以将Loss降到零附近。

我们还可以继续更换Softsign、ReLU、ELU来观察是否具有更快的速度，我们只需要把每次运行的结果存起来，然后在同一张图里观察其效果：

w={}

for a in ['sigmoid','tanh','softsign','relu','elu']:

model_1=normal_model(a)

his=model_1.fit(X_train_normal,train_labels,\

batch_size=128,validation_data=(X_test_normal,test_labels),\

verbose=1,epochs=20)

w[a]=his.history

sns.set(style='whitegrid')

plt.figure()

for a in w.keys():

plt.plot(range(20),w[a]['val_loss'],label=a)

plt.title('model Loss')

plt.legend()

plt.show()

如图，sigmoid是表现最差的，其余的损失函数看起来不相上下。

我们去掉sigmoid函数，对其他几个做详细对比：

如图，tanh,softsign,relu,elu函数均在第8个epochs之后就收敛到了很低的水平，从图中可以看出，relu是收敛最快的，但最终的收敛的Loss却比softsign和elu都要大。

但训练收敛的更快只能说明更易于学习，并不能说明学习的效果好，即准确率高，因为激活函数的不同类型可能具备不同的表达能力，使得在神经网络结构大体一致的情况下，表示能力可能会有差别，我们可以在20个epochs之后获得其最终的准确率：

plt.figure()

f=[]

g=[]

for a in w.keys():

f.append(a)

g.append(w[a]['val_acc'][-1])

sns.barplot(f,g)

如图，另外四种的准确率要优于sigmoid函数，但这四种似乎差别不大，鉴于此，我们可以说不同激活函数对于复杂的神经网络表示能力上的差别很微小，所以，我们有把握说sigmoid函数通过更多迭代步骤或许也可以达到与其他激活函数相媲美的效果。

如果我们想使用可以近似任意凸函数的maxout单元，那么就可以使用keras中的MaxoutDense层，注意，第一个数字表示输出的维数，与Dense层类似，第二个参数nb_feature,表示maxout的分段函数的段数，也就是《常见隐藏单元理论篇》中的k。

from keras.layers import MaxoutDense

def maxout_model():

model=models.Sequential()

model.add(MaxoutDense(512,nb_feature=3,input_shape=(28*28,)))

model.add(MaxoutDense(256,nb_feature=3))

model.add(MaxoutDense(128,nb_feature=3))

model.add(MaxoutDense(64,nb_feature=3))

model.add(Dense(10,activation='softmax'))

model.compile(optimizer=optimizers.SGD(momentum=0.9,nesterov=True),\

loss='categorical_crossentropy',\

metrics=['accuracy'])

return(model)

此外，如果我们还有一些新奇的点子，但在keras原本的激活函数中未被包含，那么就需要灵活使用后端来自定义我们需要的函数，比如我们想使用余弦函数，只需要利用后端定义好，然后将其加入我们预先准备好的神经网络框架：

from keras import backend as K

def cos(x):

return K.cos(x)

def normal_model(a):

model=models.Sequential()

model.add(Dense(512,activation=a,input_shape=(28*28,)))

model.add(Dense(256,activation=a))

model.add(Dense(128,activation=a))

model.add(Dense(64,activation=a))

model.add(Dense(10,activation='softmax'))

model.compile(optimizer=optimizers.SGD(momentum=0.9,nesterov=True),\

loss='categorical_crossentropy',\

metrics=['accuracy'])

return(model)

model_1=normal_model(cos)

.....

然后就可以像上述的步骤一样进行训练。

读芯君开扒

课堂TIPS

? 在keras中，添加激活函数有两种途径，一种是在现有层中指定激活函数的类型，另一种是在现有层的基础上继续添加激活层，这两者方法是等价的，但对神经网络结构不熟悉的读者推荐使用第二种。

? 我们在这里使用了softmax输出单元以及交叉熵作为损失函数，以及上一节提到的，linear输出单元。输出单元和损失函数的变更是神经网络非常重要的一环，我们将在下一节详细讲解。

作者：唐僧不用海飞丝

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