TensorFlow如何实现反向传播

使用TensorFlow的一个优势是，它可以维护操作状态和基于反向传播自动地更新模型变量。
TensorFlow通过计算图来更新变量和最小化损失函数来反向传播误差的。这步将通过声明优化函数（optimization function）来实现。一旦声明好优化函数，TensorFlow将通过它在所有的计算图中解决反向传播的项。当我们传入数据，最小化损失函数，TensorFlow会在计算图中根据状态相应的调节变量。

回归算法的例子从均值为1、标准差为0.1的正态分布中抽样随机数，然后乘以变量A，损失函数为L2正则损失函数。理论上，A的最优值是10，因为生成的样例数据均值是1。

二个例子是一个简单的二值分类算法。从两个正态分布（N（-1，1）和N（3，1））生成100个数。所有从正态分布N（-1，1）生成的数据标为目标类0；从正态分布N（3，1）生成的数据标为目标类1，模型算法通过sigmoid函数将这些生成的数据转换成目标类数据。换句话讲，模型算法是sigmoid（x+A），其中，A是要拟合的变量，理论上A=-1。假设，两个正态分布的均值分别是m1和m2，则达到A的取值时，它们通过-（m1+m2）/2转换成到0等距的值。后面将会在TensorFlow中见证怎样取到相应的值。

同时，指定一个合适的学习率对机器学习算法的收敛是有帮助的。优化器类型也需要指定，前面的两个例子会使用标准梯度下降法，它在TensorFlow中的实现是GradientDescentOptimizer()函数。

# 反向传播
#----------------------------------
#
# 以下Python函数主要是展示回归和分类模型的反向传播

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow.python.framework import ops
ops.reset_default_graph()

# 创建计算图会话
sess = tf.Session()

# 回归算法的例子:
# We will create sample data as follows:
# x-data: 100 random samples from a normal ~ N(1, 0.1)
# target: 100 values of the value 10.
# We will fit the model:
# x-data * A = target
# Theoretically, A = 10.

# 生成数据，创建占位符和变量A
x_vals = np.random.normal(1, 0.1, 100)
y_vals = np.repeat(10., 100)
x_data = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32)
y_target = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32)

# Create variable (one model parameter = A)
A = tf.Variable(tf.random_normal(shape=[1]))

# 增加乘法操作
my_output = tf.multiply(x_data, A)

# 增加L2正则损失函数
loss = tf.square(my_output - y_target)

# 在运行优化器之前，需要初始化变量
init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)

# 声明变量的优化器
my_opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.02)
train_step = my_opt.minimize(loss)

# 训练算法
for i in range(100):
  rand_index = np.random.choice(100)
  rand_x = [x_vals[rand_index]]
  rand_y = [y_vals[rand_index]]
  sess.run(train_step, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y})
  if (i+1)%25==0:
    print('Step #' + str(i+1) + ' A = ' + str(sess.run(A)))
    print('Loss = ' + str(sess.run(loss, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y})))

# 分类算法例子
# We will create sample data as follows:
# x-data: sample 50 random values from a normal = N(-1, 1)
#     + sample 50 random values from a normal = N(1, 1)
# target: 50 values of 0 + 50 values of 1.
#     These are essentially 100 values of the corresponding output index
# We will fit the binary classification model:
# If sigmoid(x+A) < 0.5 -> 0 else 1
# Theoretically, A should be -(mean1 + mean2)/2

# 重置计算图
ops.reset_default_graph()

# Create graph
sess = tf.Session()

# 生成数据
x_vals = np.concatenate((np.random.normal(-1, 1, 50), np.random.normal(3, 1, 50)))
y_vals = np.concatenate((np.repeat(0., 50), np.repeat(1., 50)))
x_data = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32)
y_target = tf.placeholder(shape=[1], dtype=tf.float32)

# 偏差变量A (one model parameter = A)
A = tf.Variable(tf.random_normal(mean=10, shape=[1]))

# 增加转换操作
# Want to create the operstion sigmoid(x + A)
# Note, the sigmoid() part is in the loss function
my_output = tf.add(x_data, A)

# 由于指定的损失函数期望批量数据增加一个批量数的维度
# 这里使用expand_dims（）函数增加维度
my_output_expanded = tf.expand_dims(my_output, 0)
y_target_expanded = tf.expand_dims(y_target, 0)

# 初始化变量A
init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)

# 声明损失函数 交叉熵(cross entropy)
xentropy = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=my_output_expanded, labels=y_target_expanded)

# 增加一个优化器函数 让TensorFlow知道如何更新和偏差变量
my_opt = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.05)
train_step = my_opt.minimize(xentropy)

# 迭代
for i in range(1400):
  rand_index = np.random.choice(100)
  rand_x = [x_vals[rand_index]]
  rand_y = [y_vals[rand_index]]

  sess.run(train_step, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y})
  if (i+1)%200==0:
    print('Step #' + str(i+1) + ' A = ' + str(sess.run(A)))
    print('Loss = ' + str(sess.run(xentropy, feed_dict={x_data: rand_x, y_target: rand_y})))

# 评估预测
predictions = []
for i in range(len(x_vals)):
  x_val = [x_vals[i]]
  prediction = sess.run(tf.round(tf.sigmoid(my_output)), feed_dict={x_data: x_val})
  predictions.append(prediction[0])

accuracy = sum(x==y for x,y in zip(predictions, y_vals))/100.
print('最终精确度 = ' + str(np.round(accuracy, 2)))

输出：

Step #25 A = [ 6.12853956]
Loss = [ 16.45088196]
Step #50 A = [ 8.55680943]
Loss = [ 2.18415046]
Step #75 A = [ 9.50547695]
Loss = [ 5.29813051]
Step #100 A = [ 9.89214897]
Loss = [ 0.34628963]
Step #200 A = [ 3.84576249]
Loss = [[ 0.00083012]]
Step #400 A = [ 0.42345378]
Loss = [[ 0.01165466]]
Step #600 A = [-0.35141727]
Loss = [[ 0.05375391]]
Step #800 A = [-0.74206048]
Loss = [[ 0.05468176]]
Step #1000 A = [-0.89036471]
Loss = [[ 0.19636908]]
Step #1200 A = [-0.90850282]
Loss = [[ 0.00608062]]
Step #1400 A = [-1.09374011]
Loss = [[ 0.11037558]]
最终精确度 = 1.0