1 # 利用鸢尾花数据集，实现前向传播、反向传播，可视化loss曲线
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3 # 导入所需模块
4 import numpy as np
5 import tensorflow as tf
6 from sklearn import datasets
7 from matplotlib import pyplot as plt
8 import time
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11 # 导入数据，分别为输入特征和标签
12 x_data = datasets.load_iris().data
13 y_data = datasets.load_iris().target
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15 # 随机打乱数据（因为原始数据是顺序的，顺序不打乱会影响准确率）
16 # seed: 随机数种子，是一个整数，当设置之后，每次生成的随机数都一样（为方便教学，以保每位同学结果一致）
17 np.random.seed(116)
18 np.random.shuffle(x_data)
19 np.random.seed(116)
20 np.random.shuffle(y_data)
21 tf.random.set_seed(116)
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24 # 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集，训练集为前120行，测试集为后30行
25 x_train = x_data[:-30]
26 y_train = y_data[:-30]
27 x_test = x_data[-30:]
28 y_test = y_data[-30:]
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31 # 转换x的数据类型，否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
32 x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
33 x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
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35 # from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。（把数据集分批次，每个批次batch组数据）
36 train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
37 test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)
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40 # 生成神经网络的参数，4个输入特征故，输入层为4个输入节点；因为3分类，故输出层为3个神经元
41 # 用tf.Variable()标记参数可训练
42 # 使用seed使每次生成的随机数相同
43 w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
44 b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))
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46 lr = 0.1 # 学习率为0.1
47 train_loss_results = [] # 将每轮的loss记录在此列表中，为后续画loss曲线提供数据
48 test_acc = [] # 将每轮的acc记录在此列表中，为后续画acc曲线提供数据
49 epoch = 500 # 循环500轮
50 loss_all = 0 # 每轮分4个step，loss_all记录四个step生成的4个loss的和
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53 m_w, m_b = 0, 0
54 v_w, v_b = 0, 0
55 beta1, beta2 = 0.9, 0.999
56 delta_w, delta_b = 0, 0
57 global_step = 0
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60 #训练部分
61 now_time = time.time()
62 for epoch in range(epoch): #数据集级别的循环，每个epoch循环一次数据集
63 for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db): # batch级别的循环 ，每个step循环一个batch
64 global_step += 1
65 with tf.GradientTape() as tape: # with结构记录梯度信息
66 y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 # 神经网络乘加运算
67 y = tf.nn.softmax(y) # 使输出y符合概率分布（此操作后与独热码同量级，可相减求loss）
68 y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3) # 将标签值转换为独热码格式，方便计算loss和accuracy
69 loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y)) # 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y-out)^2)
70 loss_all += loss.numpy() # 将每个step计算出的loss累加，为后续求loss平均值提供数据，这样计算的loss更准确
71 # 计算loss对各个参数的梯度
72 grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
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74 #Adam
75 m_w = beta1 * m_w + (1 - beta1) * grads[0]
76 m_b = beta1 * m_b + (1 - beta1) * grads[1]
77 v_w = beta2 * v_w + (1 - beta2) * tf.square(grads[0])
78 v_b = beta2 * v_b + (1 - beta2) * tf.square(grads[1])
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80 m_w_correction = m_w / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step)))
81 m_b_correction = m_b / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step)))
82 v_w_correction = v_w / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step)))
83 v_b_correction = v_b / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step)))
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85 w1.assign_sub(lr * m_w_correction / tf.sqrt(v_w_correction))
86 b1.assign_sub(lr * m_b_correction / tf.sqrt(v_b_correction))
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89 #每个step，打印loss信息
90 print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all/4))
91 train_loss_results.append(loss_all/4) # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
92 loss_all = 0 # loss_all归零，为记录下一个epoch的loss做准备
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95 #测试部分
96 # total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数，将这两个变量都初始化为0
97 total_correct, total_number = 0, 0
98 for x_test, y_test in test_db:
99 # 使用更新后的参数进行预测
100 y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
101 y = tf.nn.softmax(y)
102 pred = tf.argmax(y, axis=1) # 返回y中最大值的索引，即预测的分类
103 # 将pred转换为y_test的数据类型
104 pred = tf.cast(pred, dtype = y_test.dtype)
105 # 若分类正确，则correct=1，否则为0，将bool型的结果转换为int型
106 correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
107 # 将每个batch的correct数加起来
108 correct = tf.reduce_sum(correct)
109 #将所有batch中的correct数加起来
110 total_correct += int(correct)
111 # total_number为测试的总样本数，也就是x_test的行数，shape[0]返回变量的行数
112 total_number += x_test.shape[0]
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114 # 总的准确率等于total_correct/total_number
115 acc = total_correct / total_number
116 test_acc.append(acc)
117 print("Test acc:", acc)
118 print("--------------------------------------------")
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120 total_time = time.time() - now_time
121 print("total_time", total_time)
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125 # 绘制 loss 曲线
126 plt.title("Loss Function Curve")
127 plt.xlabel("Epoch")
128 plt.ylabel("Loss")
129 plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$")
130 plt.legend()
131 plt.show()
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133 # 绘制 Accuracy 曲线
134 plt.title("Acc Curve")
135 plt.xlabel("Epoch")
136 plt.ylabel("Acc")
137 plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$")
138 plt.legend()
139 plt.show()
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