使用 Python 进行深度学习：神经网络（完整教程） 使用TensorFlow构建，绘制和解释人工神经网络

总结

在本文中，我将展示如何使用Python构建神经网络，以及如何使用可视化和创建模型预测解释器向业务解释深度学习。

图片来源：作者 深度学习是一种机器学习，它模仿人类获得某些类型知识的方式，与标准模型相比，它多年来越来越受欢迎。

虽然传统算法是线性的，但深度学习模型（通常是神经网络）堆叠在一个越来越复杂和抽象的层次结构中（因此深度学习中的“深度”）。

神经网络基于一组连接的单元（神经元），就像大脑中的突触一样，可以将信号传递给其他神经元，因此，就像相互连接的脑细胞一样，它们可以以更像人类的方式学习和做出决定。

今天，深度学习是如此流行，以至于许多公司想要使用它，即使他们并不完全理解它。通常，数据科学家首先必须为业务简化这些复杂的算法，然后解释和证明模型的结果，这对于神经网络来说并不总是那么简单。我认为最好的方法是通过可视化。

我将介绍一些有用的 Python 代码，这些代码可以轻松应用于其他类似情况（只需复制、粘贴、运行），并通过注释遍历每一行代码，以便您可以复制示例。

特别是，我将经历：

环境设置，张量流与 pytorch

人工神经网络细分、输入、输出、隐藏层、激活函数

使用深度神经网络进行深度学习

使用张量流/keras进行模型设计

使用python可视化神经网络

模型训练和测试

用形状解释

设置

构建神经网络有两个主要库：TensorFlow（由Google开发）和PyTorch（由Facebook开发）。它们可以执行类似的任务，但前者更适合生产，而后者则适合构建快速原型，因为它更容易学习。

这两个库受到社区和企业的青睐，因为它们可以利用 NVIDIA GPU 的强大功能。这对于处理文本语料库或图像库等大型数据集非常有用，有时甚至是必要的。

在本教程中，我将使用 TensorFlow 和 Keras，这是一个比纯 TensorFlow 和 PyTorch 更用户友好的更高级别的模块，尽管速度有点慢。

第一步是通过终端安装 TensorFlow：

pip install tensorflow 如果要启用GPU支持，可以阅读官方文档或遵循本指南。设置完成后，您的 Python 指令将由您的机器转换为 CUDA 并由 GPU 处理，因此您的模型将运行得非常快。

现在我们可以在笔记本上导入 TensorFlow Keras 的主要模块并开始编码：

from tensorflow.keras import models, layers, utils, backend as K
import matplotlib.pyplot as plt
import shap

人工神经网络

ANN由具有输入和输出维度的层组成。后者由神经元（也称为“节点”）的数量决定，神经元是一个计算单元，通过激活函数连接加权输入（帮助神经元打开/关闭）。

与大多数机器学习算法一样，权重在训练期间随机初始化和优化，以最小化损失函数。

图层可以分组为：

输入层具有将输入向量传递给神经网络的工作。如果我们有一个包含 3 个特征的矩阵（形状 N x 3），则该层将 3 个数字作为输入，并将相同的 3 个数字传递给下一层。

隐藏层代表中间节点，它们对数字进行多次转换以提高最终结果的准确性，输出由神经元的数量定义。

返回神经网络最终输出的输出层。如果我们在做一个简单的二元分类或回归，输出层应该只有 1 个神经元（因此它只返回 1 个数字）。

在具有 5 个不同类的多类分类的情况下，输出层应具有 5 个神经元。

ANN最简单的形式是感知器，一个只有一层的模型，与线性回归模型非常相似。询问感知器内部发生了什么，相当于询问多层神经网络的单个节点内部发生了什么......让我们分解一下。

假设我们有一个包含 N 行、3 个特征和 1 个目标变量（即二进制 1/0）的数据集：

我在 0 到 1 之间放置了一些随机数数据在输入神经网络之前应始终缩放。

就像在所有其他机器学习用例中一样，我们将训练一个模型来逐行使用特征预测目标。让我们从第一行开始：

“训练模型”是什么意思？

在数学公式中搜索最佳参数，以最大程度地减少预测误差。在回归模型，即线性回归中，您必须找到最佳权重，在基于树的模型（即随机森林）中，这是关于找到最佳拆分点......

通常，权重是随机初始化的，然后随着学习的进行进行调整。在这里，我将它们全部设置为 1：

图片来源：作者

到目前为止，我们还没有做任何与线性回归不同的事情。对于业务来说，这很简单。

现在，这里是从线性模型 Σ（xiwi）=Y 到非线性模型 f ( Σ（xiwi)=Y 的升级...输入激活函数。

图片来源：作者

激活函数定义该节点的输出。有很多，甚至可以创建一些自定义函数，您可以在官方文档中找到详细信息并查看此备忘单。如果我们在示例中设置一个简单的线性函数，那么我们与线性回归模型没有区别。

来源：维基百科

我将使用仅返回 1 或 0 的二进制步骤激活函数：

来源：维基百科

图片来源：作者

我们有感知器的输出，这是一个单层神经网络，它接受一些输入并返回 1 个输出。现在，模型的训练将继续，将输出与目标进行比较，计算误差并优化权重，一次又一次地重复整个过程。

图片来源：作者 这是神经元的常见表示形式：

图片来源：作者

深度神经网络

可以说所有的深度学习模型都是神经网络，但并非所有的神经网络都是深度学习模型。一般来说，“深度”学习适用于算法至少有 2 个隐藏层（因此总共 4 层，包括输入和输出）的情况。

想象一下同时复制神经元进程3次：由于每个节点（加权和和激活函数）返回一个值，我们将拥有具有3个输出的第一个隐藏层。

图片来源：作者 现在让我们再次使用这 3 个输出作为第二个隐藏层的输入，该隐藏层返回 3 个新数字。最后，我们将添加一个输出层（仅 1 个节点）以获得模型的最终预测。

图片来源：作者 请记住，这些层可以具有不同数量的神经元和不同的激活函数，并且在每个节点中，权重被训练以优化最终结果。这就是为什么添加的层越多，可训练参数的数量就越多。

现在，您可以查看神经网络的全貌：

图片来源：作者 请注意，为了尽可能简单，我没有提到业务部门可能不感兴趣的某些细节，但数据科学家绝对应该意识到这一点。特别：

偏差：在每个神经元内部，输入和权重的线性组合还包括一个偏差，类似于线性方程中的常数，因此神经元的完整公式为 f（ Σ（Xi * Wi ） + 偏置 )

反向传播：在训练期间，模型通过将误差传播回节点并更新参数（权重和偏差）来学习，以最大程度地减少损失。

来源：3Blue1Brown （Youtube） 梯度下降：用于训练神经网络的优化算法，通过在最陡下降的方向上重复步骤来找到损失函数的局部最小值。

source: 3Blue1Brown (Youtube)
Model Design
The easiest way to build a Neural Network with TensorFlow is with the Sequential class of Keras. Let’s use it to make the Perceptron from our previous example, so a model with only one Dense layer. It is the most basic layer as it feeds all its inputs to all the neurons, each neuron providing one output.

model = models.Sequential(name="Perceptron", layers=[
    layers.Dense(             #a fully connected layer
          name="dense",
          input_dim=3,        #with 3 features as the input
          units=1,            #and 1 node because we want 1 output
          activation='linear' #f(x)=x
    )
])
model.summary()

图片来源：作者

摘要函数提供结构和大小的快照（就要训练的参数而言）。在这种情况下，我们只有 4 个（3 个权重和 1 个偏差），所以它非常轻巧。

如果你想使用Keras中尚未包含的激活函数，就像我在可视化示例中展示的二进制步骤函数一样，你必须弄脏原始TensorFlow：

# define the function
import tensorflow as tf
def binary_step_activation(x):
    ##return 1 if x>0 else 0 
    return K.switch(x>0, tf.math.divide(x,x), tf.math.multiply(x,0))

# build the model
model = models.Sequential(name="Perceptron", layers=[
      layers.Dense(             
          name="dense",
          input_dim=3,        
          units=1,            
          activation=binary_step_activation
      )
])

现在让我们尝试从感知器转向深度神经网络。可能你会问自己一些问题：

多少层？ 正确的答案是“尝试不同的变体，看看什么有效”。

我通常使用 Dropout 处理 2 个密集隐藏层，这是一种通过将输入随机设置为 0 来减少过度拟合的技术。

隐藏层对于克服数据的非线性很有用，因此如果您不需要非线性，则可以避免隐藏层。过多的隐藏层会导致过度拟合。

图片来源：作者

有多少神经元？ 隐藏神经元的数量应该介于输入层的大小和输出层的大小之间。我的经验法则是（输入数 + 1 输出）/2。

什么是激活功能？ 有很多，我们不能说一个绝对更好。无论如何，最常用的是 ReLU，这是一个分段线性函数，只有在为正时才返回输出，并且主要用于隐藏层。

此外，输出层必须具有与预期输出兼容的激活。例如，线性函数适用于回归问题，而 Sigmoid 通常用于分类。

来源：维基百科

我将假设一个包含 N 个特征和 1 个二进制目标变量的输入数据集（很可能是一个分类用例）。

n_features = 10
model = models.Sequential(name="DeepNN", layers=[
    ### hidden layer 1
    layers.Dense(name="h1", input_dim=n_features,
                 units=int(round((n_features+1)/2)), 
                 activation='relu'),
    layers.Dropout(name="drop1", rate=0.2),
    
    ### hidden layer 2
    layers.Dense(name="h2", units=int(round((n_features+1)/4)), 
                 activation='relu'),
    layers.Dropout(name="drop2", rate=0.2),
    
    ### layer output
    layers.Dense(name="output", units=1, activation='sigmoid')
])
model.summary()

图片来源：作者

请注意，顺序类并不是使用 Keras 构建神经网络的唯一方法。Model 类提供了对层的更大灵活性和控制，可用于构建具有多个输入/输出的更复杂的模型。有两个主要区别：

在顺序类中，需要指定输入层，它隐含在第一个密集层的输入维度中。 这些图层像对象一样保存，可以应用于其他图层的输出，例如：输出 = layer（...）（输入） 这就是如何使用 Model 类来构建我们的感知器和 DeepNN：

# Perceptron
inputs = layers.Input(name="input", shape=(3,))
outputs = layers.Dense(name="output", units=1, 
                       activation='linear')(inputs)
model = models.Model(inputs=inputs, outputs=outputs, 
                     name="Perceptron")

# DeepNN
### layer input
inputs = layers.Input(name="input", shape=(n_features,))
### hidden layer 1
h1 = layers.Dense(name="h1", units=int(round((n_features+1)/2)), activation='relu')(inputs)
h1 = layers.Dropout(name="drop1", rate=0.2)(h1)
### hidden layer 2
h2 = layers.Dense(name="h2", units=int(round((n_features+1)/4)), activation='relu')(h1)
h2 = layers.Dropout(name="drop2", rate=0.2)(h2)
### layer output
outputs = layers.Dense(name="output", units=1, activation='sigmoid')(h2)
model = models.Model(inputs=inputs, outputs=outputs, name="DeepNN")

始终可以检查模型摘要中的参数数量是否与顺序中的参数数量相同。

可视化

请记住，我们正在向企业讲述一个故事，可视化是我们最好的盟友。

我准备了一个函数来绘制人工神经网络的 TensorFlow 模型的结构，这是完整的代码：

'''
Extract info for each layer in a keras model.
'''
def utils_nn_config(model):
    lst_layers = []
    if "Sequential" in str(model): #-> Sequential doesn't show the input layer
        layer = model.layers[0]
        lst_layers.append({"name":"input", "in":int(layer.input.shape[-1]), "neurons":0, 
                           "out":int(layer.input.shape[-1]), "activation":None,
                           "params":0, "bias":0})
    for layer in model.layers:
        try:
            dic_layer = {"name":layer.name, "in":int(layer.input.shape[-1]), "neurons":layer.units, 
                         "out":int(layer.output.shape[-1]), "activation":layer.get_config()["activation"],
                         "params":layer.get_weights()[0], "bias":layer.get_weights()[1]}
        except:
            dic_layer = {"name":layer.name, "in":int(layer.input.shape[-1]), "neurons":0, 
                         "out":int(layer.output.shape[-1]), "activation":None,
                         "params":0, "bias":0}
        lst_layers.append(dic_layer)
    return lst_layers



'''
Plot the structure of a keras neural network.
'''
def visualize_nn(model, description=False, figsize=(10,8)):
    ## get layers info
    lst_layers = utils_nn_config(model)
    layer_sizes = [layer["out"] for layer in lst_layers]
    
    ## fig setup
    fig = plt.figure(figsize=figsize)
    ax = fig.gca()
    ax.set(title=model.name)
    ax.axis('off')
    left, right, bottom, top = 0.1, 0.9, 0.1, 0.9
    x_space = (right-left) / float(len(layer_sizes)-1)
    y_space = (top-bottom) / float(max(layer_sizes))
    p = 0.025
    
    ## nodes
    for i,n in enumerate(layer_sizes):
        top_on_layer = y_space*(n-1)/2.0 + (top+bottom)/2.0
        layer = lst_layers[i]
        color = "green" if i in [0, len(layer_sizes)-1] else "blue"
        color = "red" if (layer['neurons'] == 0) and (i > 0) else color
        
        ### add description
        if (description is True):
            d = i if i == 0 else i-0.5
            if layer['activation'] is None:
                plt.text(x=left+d*x_space, y=top, fontsize=10, color=color, s=layer["name"].upper())
            else:
                plt.text(x=left+d*x_space, y=top, fontsize=10, color=color, s=layer["name"].upper())
                plt.text(x=left+d*x_space, y=top-p, fontsize=10, color=color, s=layer['activation']+" (")
                plt.text(x=left+d*x_space, y=top-2*p, fontsize=10, color=color, s="Σ"+str(layer['in'])+"[X*w]+b")
                out = " Y"  if i == len(layer_sizes)-1 else " out"
                plt.text(x=left+d*x_space, y=top-3*p, fontsize=10, color=color, s=") = "+str(layer['neurons'])+out)
        
        ### circles
        for m in range(n):
            color = "limegreen" if color == "green" else color
            circle = plt.Circle(xy=(left+i*x_space, top_on_layer-m*y_space-4*p), radius=y_space/4.0, color=color, ec='k', zorder=4)
            ax.add_artist(circle)
            
            ### add text
            if i == 0:
                plt.text(x=left-4*p, y=top_on_layer-m*y_space-4*p, fontsize=10, s=r'$X_{'+str(m+1)+'}$')
            elif i == len(layer_sizes)-1:
                plt.text(x=right+4*p, y=top_on_layer-m*y_space-4*p, fontsize=10, s=r'$y_{'+str(m+1)+'}$')
            else:
                plt.text(x=left+i*x_space+p, y=top_on_layer-m*y_space+(y_space/8.+0.01*y_space)-4*p, fontsize=10, s=r'$H_{'+str(m+1)+'}$')
    
    ## links
    for i, (n_a, n_b) in enumerate(zip(layer_sizes[:-1], layer_sizes[1:])):
        layer = lst_layers[i+1]
        color = "green" if i == len(layer_sizes)-2 else "blue"
        color = "red" if layer['neurons'] == 0 else color
        layer_top_a = y_space*(n_a-1)/2. + (top+bottom)/2. -4*p
        layer_top_b = y_space*(n_b-1)/2. + (top+bottom)/2. -4*p
        for m in range(n_a):
            for o in range(n_b):
                line = plt.Line2D([i*x_space+left, (i+1)*x_space+left], 
                                  [layer_top_a-m*y_space, layer_top_b-o*y_space], 
                                  c=color, alpha=0.5)
                if layer['activation'] is None:
                    if o == m:
                        ax.add_artist(line)
                else:
                    ax.add_artist(line)
    plt.show()

让我们在我们的 2 个模型上尝试一下，首先是感知器：

visualize_nn(model, description=True, figsize=(10,8))

图片来源：作者

然后是深度神经网络：

图片来源：作者

TensorFlow也提供了一个绘制模型结构的工具，你可能希望将其用于具有更复杂层（CNN，RNN等）的更复杂的神经网络。有时设置起来有点棘手，如果您有问题，这篇文章可能会有所帮助。

utils.plot_model(model, to_file='model.png', show_shapes=True, show_layer_names=True)

图片来源：作者

这会将此图像保存在笔记本电脑上，因此，如果您只想将其绘制在笔记本上，只需运行以下命令即可删除该文件：

import os
os.remove('model.png')

训练与测试

最后，是时候训练我们的深度学习模型了。为了使它运行，我们必须“编译”，或者换句话说，我们需要定义优化器、损失函数和指标。

我通常使用 Adam 优化器，这是一种梯度下降的替代优化算法（自适应优化器中最好的）。其他参数取决于用例。

在（二元）分类问题中，您应该使用（二元）交叉熵损失，它将每个预测概率与实际类输出进行比较。

至于指标，我喜欢监控准确性和 F1 分数，这是一个结合了精度和召回率的指标（后者必须实现，因为它尚未包含在 TensorFlow 中）。

# define metrics
def Recall(y_true, y_pred):
    true_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_true * y_pred, 0, 1)))
    possible_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_true, 0, 1)))
    recall = true_positives / (possible_positives + K.epsilon())
    return recall

def Precision(y_true, y_pred):
    true_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_true * y_pred, 0, 1)))
    predicted_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_pred, 0, 1)))
    precision = true_positives / (predicted_positives + K.epsilon())
    return precision

def F1(y_true, y_pred):
    precision = Precision(y_true, y_pred)
    recall = Recall(y_true, y_pred)
    return 2*((precision*recall)/(precision+recall+K.epsilon()))

# compile the neural network
model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', 
              metrics=['accuracy',F1])

另一方面，在回归问题中，我通常将 MAE 设置为损失，将 R 平方设置为度量。

# define metrics
def R2(y, y_hat):
    ss_res =  K.sum(K.square(y - y_hat)) 
    ss_tot = K.sum(K.square(y - K.mean(y))) 
    return ( 1 - ss_res/(ss_tot + K.epsilon()) )

# compile the neural network
model.compile(optimizer='adam', loss='mean_absolute_error', 
              metrics=[R2])

在开始训练之前，我们还需要确定 Epochs 和 Batches：由于数据集可能太大而无法一次全部处理，因此将其拆分为多个批次（批处理大小越大，需要的内存空间就越多）。

反向传播和随后的参数更新每批发生一次，是整个训练集的一次传递。因此，如果您有 100 个观测值，并且批大小为 20，则需要 5 个批次才能完成 1 个 epoch。批大小应为 2 的倍数（常见：32、64、128、256），因为计算机通常以 2 的幂组织内存。

我倾向于从 100 个 epoch 开始，批大小为 32。

在训练期间，我们希望看到指标得到改善，损失逐个时期减少。此外，最好保留一部分数据 （20%-30%） 进行验证。

换句话说，模型将分离这部分数据，以评估训练之外的每个纪元结束时的损失和指标。

假设你已经把你的数据准备好到一些 X 和 y 数组中（如果没有，你可以简单地生成随机数据，如

import numpy as np
X = np.random.rand(1000,10)
y = np.random.choice([1,0], size=1000)
），您可以按如下方式启动和可视化训练：

# train/validation
training = model.fit(x=X, y=y, batch_size=32, epochs=100, shuffle=True, verbose=0, validation_split=0.3)

# plot
metrics = [k for k in training.history.keys() if ("loss" not in k) and ("val" not in k)]    
fig, ax = plt.subplots(nrows=1, ncols=2, sharey=True, figsize=(15,3))
       
## training    
ax[0].set(title="Training")    
ax11 = ax[0].twinx()    
ax[0].plot(training.history['loss'], color='black')    ax[0].set_xlabel('Epochs')    
ax[0].set_ylabel('Loss', color='black')    
for metric in metrics:        
    ax11.plot(training.history[metric], label=metric)    ax11.set_ylabel("Score", color='steelblue')    
ax11.legend()
        
## validation    
ax[1].set(title="Validation")    
ax22 = ax[1].twinx()    
ax[1].plot(training.history['val_loss'], color='black')    ax[1].set_xlabel('Epochs')    
ax[1].set_ylabel('Loss', color='black')    
for metric in metrics:          
    ax22.plot(training.history['val_'+metric], label=metric)    ax22.set_ylabel("Score", color="steelblue")    
plt.show()

图片由作者提供分类示例

图片由作者提供。回归示例，此处为笔记本 这些图取自两个实际用例，这两个用例将标准机器学习算法与神经网络进行比较（每个图像下的链接）。

可解释性

我们训练并测试了我们的模型，但我们仍然没有说服业务部门相信结果......我们能做什么？很简单，我们构建了一个解释器来证明我们的深度学习模型不是一个黑匣子。

我发现Shap与神经网络配合得很好：对于每个预测，它能够估计每个特征对模型预测值的贡献。基本上，它回答了“为什么模型说这是 1 而不是 0？”的问题。

您可以使用以下代码：

请注意，您也可以在其他机器学习模型（即线性回归、随机森林）上使用此功能，而不仅仅是神经网络。

正如您可以从代码中读到的那样，如果X_train参数保留为 None，我的函数假定它不是深度学习。

让我们在分类和回归示例中对其进行测试：

i = 1
explainer_shap(model, 
               X_names=list_feature_names, 
               X_instance=X[i], 
               X_train=X, 
               task="classification", #task="regression"
               top=10)

图片由作者提供。分类示例，泰坦尼克号数据集中，预测是“幸存”主要是因为虚拟变量_male=0，所以乘客是女性。

图片由作者提供。回归示例房价数据集，这个房价的主要驱动力是一个大地下室。

结论

本文是一个教程，演示如何设计和构建人工神经网络，无论是深度的还是非深度的。 我一步一步地分解了单个神经元内部发生的事情，更普遍地说是层内发生的事情。我让这个故事变得简单，就好像我们正在向业务部门解释深度学习一样，使用了大量的可视化。

在本教程的第二部分中，我们使用TensorFlow创建了一些神经网络，从感知器到更复杂的神经网络。然后，我们训练了深度学习模型，并评估了它在分类和回归用例中的可解释性。