多层神经网络及TensorFlow使用

一、文本的预处理---文本转数字列表

TensorFlow的Keras库有文本预处理功能。Tokenizer是一个用于向量化文本，或将文本转换为序列（即单词在字典中的下标构成的列表，从1算起）的类。如下面示例的：

• ['ha ha gua angry','howa ha gua excited naive']，按照每个词的位置重新编号为
• [[1, 1, 2, 3], [4, 1, 2, 5, 6]] 表示每个词在文本的索引位置。每个词只有一个索引。

实验代码如下：

import tensorflow as tf
somestr = ['ha ha gua angry','howa ha gua excited naive']
tok = tf.keras.preprocessing.text.Tokenizer(num_words=20)
tok.fit_on_texts(somestr)  #装入文档，转数字列表

train_sequences=tok.texts_to_sequences(somestr)
print(train_sequences)
x_train=tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(train_sequences,   #补齐，每行字符串用10列表示，不够补0
                                                      padding="post",
                                                      truncating="post",
                                                      maxlen=10)
#x_train输出结果为：
[[1 1 2 3 0 0 0 0 0 0]
 [4 1 2 5 6 0 0 0 0 0]]

二、词嵌入层设计--数字序列转成词向量表示

文档转数字表示后，还是不便于表示词的特征。需要对数字再次编码。如以下某个文本的数字列表如下：

我  从  哪  里  来  要  到  何  处  去
0    1    2    3   4    5   6    7    8   9`

1.One-Hot 编码

one-hot编码,one-hot编码的优势就体现出来了，计算方便快捷、表达能力强。稀疏矩阵做矩阵计算的时候，只需要把1对应位置的数相乘求和就行。

# 我从哪里来，要到何处去
[
[1 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
[0 1 0 0 0 0 0 0 0 0]
[0 0 1 0 0 0 0 0 0 0]
[0 0 0 1 0 0 0 0 0 0]
[0 0 0 0 1 0 0 0 0 0]
[0 0 0 0 0 1 0 0 0 0]
[0 0 0 0 0 0 1 0 0 0]
[0 0 0 0 0 0 0 1 0 0]
[0 0 0 0 0 0 0 0 1 0]
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
]

最明显的缺点。过于稀疏时，过度占用资源。比如：中文大大小小简体繁体常用不常用有十几万，然后一篇文章100W字，你要表示成100W X 10W的矩阵？这时，Embedding层横空出世。Embedding降维度功能。

所以，embedding层做了个什么呢？它把我们的稀疏矩阵，通过一些线性变换（在CNN中用全连接层进行转换，也称为查表操作），变成了一个密集矩阵，这个密集矩阵用了N（例子中N=3）个特征来表征所有的文字，在这个密集矩阵中，表象上代表着密集矩阵跟单个字的一一对应关系，实际上还蕴含了大量的字与字之间，词与词之间甚至句子与句子之间的内在关系（如：我们得出的王妃跟公主的关系）。他们之间的关系，用的是嵌入层学习来的参数进行表征。从稀疏矩阵到密集矩阵的过程，叫做embedding，很多人也把它叫做查表，因为他们之间也是一个一一映射的关系。embedding后的词向量表示如下：

公 [ 0.5 0.125 0.5]
主 [ 0.5 0.125 0.5]
王 [ 0.3 0.375 0.5]
妃 [ 0.3 0.375 0.5]

更重要的是，这种关系在反向传播的过程中，是一直在更新的，因此能在多次epoch后，使得这个关系变成相对成熟，即：正确的表达整个语义以及各个语句之间的关系。这个成熟的关系，就是embedding层的所有权重参数。

2.embedding 嵌入层代码调试

model = keras.models.Sequential()
model.add(keras.layers.Embedding(input_dim=10, output_dim=2, input_length=10)) 
#input_dim：字典长度，即输入数据最大下标+1 ，有多少个文本。output_dim：大于0的整数，代表全连接嵌入的维度，nput_length：当输入序列的长度固定时，该值为其长度。
#该层输入数据个数：10，每个数据词向量维度为2，数据有10个。
#输入形如（samples，sequence_length）的2D张量。这里是个二维数据，一维数组务必再加一层[]，改二维。
#输出形如(samples, sequence_length, output_dim)的3D张量,(1,(10,2))

model.compile('rmsprop', 'mse')
print(model.summary())
p=model.predict([[1, 1, 2, 3,0,0,0,0,0,0]])

#p的输出结果如下：
[[[-0.04306092 -0.03373697]
  [-0.04306092 -0.03373697]
  [-0.03351045 -0.03122779]
  [ 0.01788462  0.0147854 ]
  [ 0.01061829 -0.00132079]
  [ 0.01061829 -0.00132079]
  [ 0.01061829 -0.00132079]
  [ 0.01061829 -0.00132079]
  [ 0.01061829 -0.00132079]
  [ 0.01061829 -0.00132079]]]

三、keras建模与应用

建多层神经网路模型

• 输入层：7个神经元+一个偏置项
• 隐藏层1:64个神经元
• 隐藏层2:32个神经元
• 输出层：1个神经元

1. 模型搭建

情感评论模型构建的代码：

import tensorflow as tf
model=tf.keras.models.Sequential() #序列化
model.add(tf.keras.layers.Embedding(output_dim=32,   #词向量输出为32维度的0,1编码
                                    input_dim=4000,
                                    input_length=400))
model.add(tf.keras.layers.Flatten())  #类似池化

model.add(tf.keras.layers.Dense(units=256,activation="relu")) #全连接隐藏层

model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.3)) #丢弃层

model.add(tf.keras.layers.Dense(units=2,activation='sigmoid'))#输出层

model.compile(optimizer='adam',loss="binary_crossentropy",
              metrics=['accuracy'])  #loss为损失函数，二分类选择binary_crossentropy，多分类选择categorical_crossentropy
print(model.summary())
history=model.fit(x_train,y_train,validation_split=0.2,
                  epochs=10,batch_size=128,verbose=1)  #batch_size一次带128个数据进去
#x_train：训练数据集，y_train为标签数据集，用ont-hot编码。若[1,0]表示正向，[0,1】表示负向。
#多分类的one-hot编码[1,0,0,0]

model.save("d:/film.h5")  #模型保存

2.模型可视化

静待

3.模型评估

test_loss,test_acc=model.evaluate(x_test,y_test,verbose=1) #verbose为1，可以看到每轮训练结果
print("test accuracy:",test_acc)

4.模型预测

predictions=model.predict(x_test)
print(predictions[0])
结果如下：
[9.9994373e-01 5.6257828e-05]，表示正向。

参考资料

1）TensorFlow中关于Embedding层的介绍