本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“讀芯術(shù)”(ID：AI_Discovery)

人工智能，深度學(xué)習(xí)，這些詞是不是聽起來就很高大上，充滿了神秘氣息?仿佛是只對(duì)數(shù)學(xué)博士開放的高級(jí)領(lǐng)域?

錯(cuò)啦!在B站已經(jīng)變成學(xué)習(xí)網(wǎng)站的今天，還有什么樣的教程是網(wǎng)上找不到的呢?深度學(xué)習(xí)從未如此好上手，至少實(shí)操部分是這樣。

假如你只是了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論，卻從未踏足如何編寫，跟著本文一起試試吧。你將會(huì)對(duì)如何在PyTorch 庫中執(zhí)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算，以預(yù)測(cè)原先未見的數(shù)據(jù)有一個(gè)基本的了解。

這篇文章最多10分鐘就能讀完；如果要跟著代碼一步步操作的話，只要已經(jīng)安裝了必要的庫，那么也只需15分鐘。相信我，它并不難。

長話短說，快開始吧!

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導(dǎo)入語句和數(shù)據(jù)集

在這個(gè)簡單的范例中將用到幾個(gè)庫：

• Pandas:用于數(shù)據(jù)加載和處理
• Matplotlib: 用于數(shù)據(jù)可視化處理
• PyTorch: 用于模型訓(xùn)練
• Scikit-learn: 用于拆分訓(xùn)練集和測(cè)試集

如果僅僅是想復(fù)制粘貼的話，以下幾條導(dǎo)入語句可供參考：

import torch 
import torch.nn as nn 
import torch.nn.functional as F 
import pandas as pd 
import matplotlib.pyplot as plt 
from sklearn.model_selection import train_test_split 

至于數(shù)據(jù)集，Iris數(shù)據(jù)集可以在這個(gè)URL上找到。下面演示如何把它直接導(dǎo)入

Pandas： 
iris = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/pandas-dev/pandas/master/pandas/tests/data/iris.csv') 
iris.head() 

前幾行如下圖所示：

現(xiàn)在需要將 Name列中鳶尾花的品種名稱更改或者重映射為分類值。——也就是0、1、2。以下是步驟說明：

mappings = { 
   'Iris-setosa': 0, 
   'Iris-versicolor': 1, 
   'Iris-virginica': 2 
}iris['Name'] = iris['Name'].apply(lambda x: mappings[x]) 

執(zhí)行上述代碼得到的DataFrame如下：

這恭喜你，你已經(jīng)成功地邁出了第一步! 

拆分訓(xùn)練集和測(cè)試集

在此環(huán)節(jié)，將使用 Scikit-Learn庫拆分訓(xùn)練集和測(cè)試集。隨后, 將拆分過的數(shù)據(jù)由 Numpy arrays 轉(zhuǎn)換為PyTorchtensors。 

首先，需要將Iris 數(shù)據(jù)集劃分為“特征”和“ 標(biāo)簽集” ——或者是x和y。Name列是因變量而其余的則是“特征”(或者說是自變量)。

接下來筆者也將使用隨機(jī)種子，所以可以直接復(fù)制下面的結(jié)果。代碼如下：

X = iris.drop('Name', axis=1).values 
y = iris['Name'].valuesX_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X,y, test_size=0.2, random_state=42)X_train = torch.FloatTensor(X_train) 
X_test = torch.FloatTensor(X_test) 
y_train = torch.LongTensor(y_train) 
y_test = torch.LongTensor(y_test) 

如果從 X_train 開始檢查前三行，會(huì)得到如下結(jié)果：

從 y_train開始則得到如下結(jié)果：

地基已經(jīng)打好，下一環(huán)節(jié)將正式開始搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

定義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

模型的架構(gòu)很簡單。重頭戲在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)：

• 輸入層 (4個(gè)輸入特征(即X所含特征的數(shù)量)，16個(gè)輸出特征(隨機(jī)))
• 全連接層 (16個(gè)輸入特征(即輸入層中輸出特征的數(shù)量)，12個(gè)輸出特征(隨機(jī)))
• 輸出層(12個(gè)輸入特征(即全連接層中輸出特征的數(shù)量)，3個(gè)輸出特征(即不同品種的數(shù)量)

大致就是這樣。除此之外還將使用ReLU 作為激活函數(shù)。下面展示如何在代碼里執(zhí)行這個(gè)激活函數(shù)。

class ANN(nn.Module): 
   def __init__(self): 
       super().__init__() 
       self.fc1 =nn.Linear(in_features=4, out_features=16) 
       self.fc2 =nn.Linear(in_features=16, out_features=12) 
       self.output =nn.Linear(in_features=12, out_features=3) 
  
 def forward(self, x): 
     x = F.relu(self.fc1(x)) 
     x = F.relu(self.fc2(x)) 
     x = self.output(x) 
     return x 

PyTorch使用的面向?qū)ο舐暶髂Ｐ偷姆绞椒浅Ｖ庇^。在構(gòu)造函數(shù)中，需定義所有層及其架構(gòu)，若使用forward()，則需定義正向傳播。

接著創(chuàng)建一個(gè)模型實(shí)例，并驗(yàn)證其架構(gòu)是否與上文所指的架構(gòu)相匹配：

model = ANN() 
model 

在訓(xùn)練模型之前，需注明以下幾點(diǎn)：

• 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):主要使用 CrossEntropyLoss來計(jì)算損失
• 優(yōu)化器:使用學(xué)習(xí)率為0.01的Adam 優(yōu)化算法

下面展示如何在代碼中執(zhí)行CrossEntropyLoss和Adam ：

criterion = nn.CrossEntropyLoss() 
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01) 

令人期盼已久的環(huán)節(jié)終于來啦——模型訓(xùn)練!

模型訓(xùn)練

這部分同樣相當(dāng)簡單。模型訓(xùn)練將進(jìn)行100輪, 持續(xù)追蹤時(shí)間和損失。每10輪就向控制臺(tái)輸出一次當(dāng)前狀態(tài)——以指出目前所處的輪次和當(dāng)前的損失。

代碼如下：

%%timeepochs = 100 
loss_arr = []for i in range(epochs): 
y_hat = model.forward(X_train) 
loss = criterion(y_hat, y_train) 
loss_arr.append(loss) 
 
if i % 10 == 0: 
print(f'Epoch: {i} Loss: {loss}') 
 
optimizer.zero_grad() 
loss.backward() 
optimizer.step() 

好奇最后三行是干嘛用的嗎?答案很簡單——反向傳播——權(quán)重和偏置的更新使模型能真正地“學(xué)習(xí)”。

以下是上述代碼的運(yùn)行結(jié)果:

進(jìn)度很快——但不要掉以輕心。

如果對(duì)純數(shù)字真的不感冒，下圖是損失曲線的可視化圖(x軸為輪次編號(hào)，y軸為損失)：

模型已經(jīng)訓(xùn)練完畢，現(xiàn)在該干嘛呢?當(dāng)然是模型評(píng)估。需要以某種方式在原先未見的數(shù)據(jù)上對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行評(píng)估。

模型評(píng)估

在評(píng)估過程中，欲以某種方式持續(xù)追蹤模型做出的預(yù)測(cè)。需要迭代 X_test并進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值進(jìn)行比較。

這里將使用 torch.no_grad()，因?yàn)橹皇窃u(píng)估而已——無需更新權(quán)重和偏置。

總而言之，代碼如下：

preds = []with torch.no_grad(): 
   for val in X_test: 
       y_hat = model.forward(val) 
      preds.append(y_hat.argmax().item()) 

現(xiàn)在預(yù)測(cè)結(jié)果被存儲(chǔ)在 preds陣列。可以用下列三個(gè)值構(gòu)建一個(gè)Pandas DataFrame。

• Y:實(shí)際值
• YHat: 預(yù)測(cè)值
• Correct:對(duì)角線，對(duì)角線的值為1表示Y和YHat相匹配，值為0則表示不匹配

代碼如下：

df = pd.DataFrame({'Y': y_test, 'YHat':preds})df['Correct'] = [1 if corr == pred else 0 for corr, pred in zip(df['Y'],df['YHat'])] 

df 的前五行如下圖所示：

下一個(gè)問題是，實(shí)際該如何計(jì)算精確度呢?

很簡單——只需計(jì)算 Correct列的和再除以 df的長度：

df['Correct'].sum() / len(df)>>> 1.0 

此模型對(duì)原先未見數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率為100%。但需注意這完全是因?yàn)镮ris數(shù)據(jù)集非常易于歸類，并不意味著對(duì)于Iris數(shù)據(jù)集來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是最好的算法。NN對(duì)于這類問題來講有點(diǎn)大材小用，不過這都是以后討論的話題了。

這可能是你寫過最簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有著完美簡潔的數(shù)據(jù)集、沒有缺失值、層次最少、還有神經(jīng)元!本文沒有什么高級(jí)深?yuàn)W的東西，相信你一定能夠掌握它。