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《python深度学习》笔记(五):神经网络的核心组件

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《python深度学习》笔记(五):神经网络的核心组件

训练神经网络主要围绕以下四个部分:

  • 层,用于合并成网络(或模型)。

  • 输入数据和相应的目标。

  • 损失函数,定义了用于学习的反馈信号。

  • 优化器,决定了学习如何进行。

层:深度学习的基础组件

神经网络的基础数据结构是层,层是一个数据处理模块,它接受一个或多个张量作为输入,并输出一个或多个张量。有些层是无状态的,但更常见的层有一个状态:层的权值。

不同的层适用于不同的张量格式和不同类型的数据处理。

简单的矢量数据存储在二维张量的形状(samples,features)中,通常由紧密连接的层(densely connected)处理,也称为完全连接层或密集层。

序列数据存储在形状为三维张量(samples,timesteps, features),中,通常由循环层(recurrent)处理,比如LSTM层。

图像数据存储在4D张量中,通常由二维卷积层(Conv2D)处理。


代码实现:

model = models.Sequential()

model.add(layers.Dense(32,input_shape=(784,)))

model.add(layers.Dense(32))

模型:层构成的网络

深度学习模型是层构成的有向无环图。最常见的例子就是层的线性堆叠,将单一输入映射为单一输出。一些常见的网络拓扑结构如下:

  • 双分支(two-branch)网络
  • 多头(multihead)网络
  • Inception模块

4.损失函数与优化器:配置学习过程的关键


一旦确定了网络架构,你还需要选择以下两个参数。

损失函数(目标函数)——在训练过程中需要将其最小化。它能够衡量当前任务是否已成功完成。
优化器——决定如何基于损失函数对网络进行更新。它执行的是随机梯度下降(SGD)的某个变体。
       具有多个输出的神经网络可能具有多个损失函数(每个输出对应一个损失函数)。但是,梯度下降过程必须基于单个标量损失值。因此,对于具有多个损失函数的网络,需要将所有损失函数取平均,变为一个标量值。

选择正确的目标函数对解决问题是非常重要的。网络的目的是使损失尽可能最小化,因此,如果目标函数与成功完成当前任务不完全相关,那么网络最终得到的结果可能会不符合你的预期。

幸运的是,对于分类、回归、序列预测等常见问题,你可以遵循一些简单的指导原则来选择正确的损失函数。只有在面对真正全新的研究问题时,你才需要自主开发目标函数。

对于二分类问题,可以使用二元交叉熵(binary crossentropy)损失函数;
对于多分类问题,可以用分类交叉熵(categorical crossentropy)损失函数;
对于回归问题,可以用均方误差(mean-squared error)损失函数;
对于序列学习问题,可以用联结主义时序分类(CTC,connectionist temporal classification)损失函数,等等。

下一节我们将学习分类、回归、预测等常见问题的实际应用和相应代码实现。

附:神经网络四个部分之间的关系图如下:

 

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