MLK | Keras 基础模型调参指南

2019-08-09 17:23:50 浏览数 (1)
MLK，即Machine Learning Knowledge，本专栏在于对机器学习的重点知识做一次梳理，便于日后温习，这次主要讲下Keras 模型的调参。

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上一篇文章讲解了如何简易入门Keras，大致给出了一个深度学习模型，但对于模型如何调参就没有太过于深入讲解，今天继续写一篇文章来整理下 Keras 深度学习模型的调参教程，希望可以对大家有所帮助。

00- 初始化一个NN模型

我们还是使用 MNIST 数据集，这一次训练和测试数据的样本量都一样，都是10000。

代码语言：javascript复制
# 导入相关库
import numpy as np
from keras.models import Sequential
from keras.layers.core import Dense,Dropout,Activation
from keras.optimizers import SGD,Adam
from keras.utils import np_utils
from keras.datasets import mnist

# 封装数据读取及预处理的代码
def load_data():
    (x_train,y_train),(x_test,y_test)=mnist.load_data()
    number=10000
    x_train=x_train[0:number]
    y_train=y_train[0:number]
    x_train=x_train.reshape(number,28*28)
    x_test=x_test.reshape(x_test.shape[0],28*28)
    x_train=x_train.astype('float32')
    x_test=x_test.astype('float32')
    y_train=np_utils.to_categorical(y_train,10)
    y_test=np_utils.to_categorical(y_test,10)
    x_train=x_train
    x_test=x_test
    x_train=x_train/255
    x_test=x_test/255
    return (x_train,y_train),(x_test,y_test)

# 调用方法
(x_train,y_train),(x_test,y_test)=load_data()
print(x_train.shape)
print(x_test.shape)

'''
随便初始化一个NN模型
'''
model=Sequential()
model.add(Dense(input_dim=28*28,units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=10,activation='softmax'))

model.compile(loss='mse',optimizer=SGD(lr=0.1),metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train,y_train,batch_size=100,epochs=20)

train_result = model.evaluate(x_train,y_train,batch_size=10000)
test_result = model.evaluate(x_test,y_test)

print('TRAIN Accuracy:',train_result[1])
print('TEST Accuracy:',test_result[1])
output：

可以看出结果还是很烂的，Train 和 Test都只是有13%左右的准确度。

01- Loss Function 入手

尝试着从损失函数开始入手，原模型参数的Loss Function为 MSE，如果对损失函数的原理比较清晰的同学可能就会发现了问题，MSE为均方误差，往往都是用于线性回归的损失函数，而这里是多分类问题，当然就不是十分适合了，所以我们可以换成 categorical_crossentropy 。

代码语言：javascript复制
'''
修改下 Loss Function
'''
model=Sequential()
model.add(Dense(input_dim=28*28,units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=10,activation='softmax'))

model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer=SGD(lr=0.1),
              metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train,y_train,
          batch_size=100,
          epochs=20)

train_result = model.evaluate(x_train,y_train)
test_result = model.evaluate(x_test,y_test)

print('TRAIN Accuracy:',train_result[1])
print('TEST Accuracy:',test_result[1])
output：

可以看出，换了合适的Loss Function，模型效果有了很大的提升，看来机器学习还是需要懂些理论知识的，不然盲目调参并不是明智的选择。

02- batch_size 入手

这个参数在Keras深度学习模型中还是蛮重要的，我们在深度学习模型中做 梯度下降，并不是真的就是 minimize total loss（最小化总损失），而通常的做法是会把训练数据随机分成 N 个 mini-batch，并行训练模型。在了解这个参数前，先介绍下 mini-batch 的原理。

Mini-batch 指的是从一堆训练数据中，随机取出 N/batch_size 个数据来计算偏微分并更新参数，可以参考下面的步骤：

1）随机初始化神经网络的参数（与 Stochastic gradient descent一样）

2）随机选择第一个batch，计算其 loss，计算偏微分，根据 L` 更新参数

3）继续随机选择一个batch，计算其 loss，计算偏微分，根据 L`` 更新参数

4）重复上述2-3步，直到所有的batch都被更新了一次，一个epoch才算结束

代码语言：javascript复制
'''
增大 batch_size
'''
model=Sequential()
model.add(Dense(input_dim=28*28,units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=633,activation='sigmoid'))
model.add(Dense(units=10,activation='softmax'))

model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer=SGD(lr=0.1),
              metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train,y_train,
          batch_size=1000,
          epochs=20)

train_result = model.evaluate(x_train,y_train)
test_result = model.evaluate(x_test,y_test)

print('TRAIN Accuracy:',train_result[1])
print('TEST Accuracy:',test_result[1])
output：
设置太大的batch_size，训练效率是超级快了，但是效果却很差。而按照batch_size的原理，如果减小batch_size的值，效率会变慢很多，但效果还蛮不错。
代码语言：javascript复制
'''减小 batch_size'''
model.fit(x_train,y_train, batch_size=10, epochs=20)

03- deep layer 入手

所谓深度学习，正常来说“越深越好”，但也要看实际情况，太深的话其实对资源的消耗也很大，同时也不一定可以得到比较好的结果，也就是所谓的“性价比低”。先前的隐含层都只有2层，下面我们用for循环增加隐含层到 10 层 ，看看效果。

代码语言：javascript复制
'''
增加隐含层数量至10
'''
model=Sequential()
model.add(Dense(input_dim=28*28,units=633,activation='sigmoid'))

for _ in range(10):
    model.add(Dense(units=633,activation='sigmoid'))

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

model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer=SGD(lr=0.1),
              metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train,y_train,
          batch_size=100,
          epochs=20)

train_result = model.evaluate(x_train,y_train)
test_result = model.evaluate(x_test,y_test)

print('TRAIN Accuracy:',train_result[1])
print('TEST Accuracy:',test_result[1])
output：

效果是出奇的差，从原先的85%左右掉到11%左右，于是我试着变少一些，比如3层、5层什么的，效果也都还是不行，看来并不是盲目地增加隐含层数量来提升效果的哦。

04- activation function 入手

这里是激活函数，还是建议阅读先前的理论文章《MLK | 一文理清 深度学习前馈神经网络》，看下几种激活函数的差异，主要有Sigmoid、Tanh、ReLU激活函数，这里我把 Sigmoid都换成了 relu。

代码语言：javascript复制
'''
修改下 Loss Function
'''
model=Sequential()
model.add(Dense(input_dim=28*28,units=633,activation='relu'))

for _ in range(2):
    model.add(Dense(units=633,activation='relu'))
    
model.add(Dense(units=10,activation='softmax'))

model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer=SGD(lr=0.1),
              metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train,y_train,
          batch_size=100,
          epochs=20)

train_result = model.evaluate(x_train,y_train)
test_result = model.evaluate(x_test,y_test)

print('TRAIN Accuracy:',train_result[1])
print('TEST Accuracy:',test_result[1])
output：

效果杠杠的，可以达到95% 了。

05- optimizer 入手

优化器的选择有好多种，比如我们一开始用的 SGD，除此之外还有：Adam、RMSprop、Adagrad、Adamax、Nadam，这些都是gradient descent的变形体，我们换另一个优化器看看，比如Adam：

代码语言：javascript复制
model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer='Adam',
              metrics=['accuracy'])
output：

效果还是蛮不错的。

06- Dropout 入手

dropout其实就是为了减少过拟合情况，是最简单的神经网络正则化方法，可以应用于输入层和隐含层，取值在0-1之间，一般会在0.2-0.7之间比较好。

代码语言：javascript复制
'''
修改下 Dropout
'''
model=Sequential()
model.add(Dense(input_dim=28*28,units=633,activation='relu'))
model.add(Dropout(0.7))

for _ in range(2):
    model.add(Dense(units=633,activation='relu'))
    model.add(Dropout(0.7))
    
model.add(Dense(units=10,activation='softmax'))

model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer='Adam',
              metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train,y_train,
          batch_size=100,
          epochs=20)

train_result = model.evaluate(x_train,y_train)
test_result = model.evaluate(x_test,y_test)

print('TRAIN Accuracy:',train_result[1])
print('TEST Accuracy:',test_result[1])
output：

我拿的是上面小节的代码，加了0.7的Dropout，效果有所下降，但确实Train和Test的差距会变小很多。

References

[1] 【Keras】减少过拟合的秘诀——Dropout正则化

https://www.jianshu.com/p/3745827decdf

[2] 台大 李宏毅机器学习 19节

keras 批量计算 深度学习 机器学习 人工智能

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