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深度学习 —神经网络以及数据准备

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一，深度学习

1.1 深度学习简介

人工智能、机器学习和深度学习之间的关系：

深度学习可以处理图像，文本，音频，视频等各种内容，主要应用领域有：

1. 图像处理：分类、目标检测、图像分割（语义分割）
2. 自然语言处理：LLM、NLP、Transformer
3. 语音识别：对话机器人、智能客服（语音+NLP）
4. 自动驾驶：语义分割（行人、车辆、实线等）
5. LLM：大Large语言Language模型Model

1.2，深度学习的优势

二，神经网络

神经网络（Neural Networks）是一种模拟人脑神经元网络结构的计算模型，用于处理复杂的模式识别、分类和预测等任务

生物学：

人脑可以看做是一个生物神经网络，由众多的神经元连接而成

• 树突：从其他神经元接收信息的分支
• 细胞核：处理从树突接收到的信息
• 轴突：被神经元用来传递信息的生物电缆
• 突触：轴突和其他神经元树突之间的连接

人脑神经元处理信息的过程：

• 多个信号到达树突，然后整合到细胞体的细胞核中
• 当积累的信号超过某个阈值，细胞就会被激活
• 产生一个输出信号，由轴突传递。

神经网络由多个互相连接的节点（即人工神经元）组成。

2.1 人工神经元

人工神经元是神经网络的基本构建单元，模仿了生物神经元的工作原理。其核心功能是接收输入信号，经过加权求和和非线性激活函数处理后，输出结果。

数学表示
$$\begin{gathered} xz=\sum _{i=1}^n{w}_i\cdot x_i+b \\ y=\sigma (z) \end{gathered}$$

其中激活函数是：$$\sigma (z)$$

线性回归：线性回归不需要激活函数
$$y=\sum _{i=1}^n{w}_i\cdot x_i+b$$

逻辑回归：
$$\begin{gathered} z=\sum _{i=1}^n{w}_i\cdot x_i+b \\ y=\sigma (z)=sigmoid(z)=\frac{1}{1+e^{-z}} \end{gathered}$$

2.2 构建神经网络

2.2.1 基本结构

神经网络是由大量人工神经元按层次结构连接而成的计算模型。每一层神经元的输出作为下一层的输入，最终得到网络的输出。
神经网络有下面三个基础层（Layer）构建而成：

• 输入层（Input）: 神经网络的第一层，负责接收外部数据，不进行计算。

• 隐藏层（Hidden）: 位于输入层和输出层之间，进行特征提取和转换。隐藏层一般有多层，每一层有多个神经元。

• 输出层（Output）: 网络的最后一层，产生最终的预测结果或分类结果

• 网络构建
  
  同一层的各个神经元之间没有连接

2.2.2 全连接神经网络

前馈神经网络（Feedforward Neural Network，FNN）是一种最基本的神经网络结构，其特点是信息从输入层经过隐藏层单向传递到输出层，没有反馈或循环连接。

全连接神经网络（Fully Connected Neural Network，FCNN）是前馈神经网络的一种，每一层的神经元与上一层的所有神经元全连接，常用于图像分类、文本分类等任务。

特点

• 全连接层: 层与层之间的每个神经元都与前一层的所有神经元相连。
• 权重数量: 由于全连接的特点，权重数量较大，容易导致计算量大、模型复杂度高。
• 学习能力: 能够学习输入数据的全局特征，但对于高维数据却不擅长捕捉局部特征（如图像就需要CNN）

计算步骤

1. 数据传递: 输入数据经过每一层的计算，逐层传递到输出层。
2. 激活函数: 每一层的输出通过激活函数处理。
3. 损失计算: 在输出层计算预测值与真实值之间的差距，即损失函数值。
4. 反向传播（Back Propagation）: 通过反向传播算法计算损失函数对每个权重的梯度，并更新权重以最小化损失。

API

torch.nn.Linear(in_features, out_features, bias=True)

参数说明：

in_features：

• 输入特征的数量（即输入数据的维度）。
• 例如，如果输入是一个长度为 100 的向量，则 in_features=100。

out_features：

• 输出特征的数量（即输出数据的维度）。
• 例如，如果希望输出是一个长度为 50 的向量，则 out_features=50。

bias：

• 是否使用偏置项（默认值为 True）。
• 如果设置为 False，则不会学习偏置项。

2.2.3 构建全连接神经网络示例

from torch import nn
import torchclass Net(nn.Module):def __init__(self,in_features,out_features):super().__init__()self.fc1=nn.Linear(in_features,256)self.fc2=nn.Linear(256,128)self.fc3=nn.Linear(128,64)def forward(self,x):x=torch.relu(self.fc1(x))x=torch.relu(self.fc2(x))x=torch.relu(self.fc3(x))return xdef main():in_features,out_features=784,10net=Net(in_features,out_features)print(net)def test02():in_features,out_features=784,10model=nn.Sequential(nn.Linear(in_features,256),nn.Linear(256,128),nn.Linear(128,64))print(model)#单层神经网络
def test03():in_features,out_features=784,10model=nn.Linear(in_features,out_features)print(model)

三，数据加载

3.1 构建数据类

1. _init_ 方法
   用于初始化数据集对象：通常在这里加载数据，或者定义如何从存储中获取数据的路径和方法。
2. _len_ 方法
   返回样本数量：需要实现，以便 Dataloader加载器能够知道数据集的大小。
3. _getitem_ 方法
   根据索引返回样本：将从数据集中提取一个样本，并可能对样本进行预处理或变换。

import torch
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader, TensorDatasetfrom sklearn.datasets import make_regression
from torch import nn, optim
# 自定义数据集类步骤：
# 1.继承Dataset类
# 2.实现__init__方法，初始化外部的数据
# 3.实现__len__方法，用来返回数据集的长度
# 4.实现__getitem__方法，根据索引获取对应位置的数据
class MyDataset(Dataset):def __init__(self, data, labels):self.data = dataself.labels = labelsdef __len__(self):return len(self.data)def __getitem__(self, index):sample = self.data[index]label = self.labels[index]return sample, label
def test01():x = torch.randn(100, 20)y = torch.randn(100, 1)dataset = MyDataset(x, y)print(dataset[0])# DataLoader:数据加载器，用来分批次加载数据，返回一个迭代器# 参数：# batch_size:设置每批次加载的样本数量# shuffle：设置是否要打乱数据，True-打乱，False-不打乱dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=20,shuffle=True)for sample, label in dataloader:print(sample)print(label)break        if __name__ == '__main__':test01()

3.2 数据加载器

在训练或者验证的时候，需要用到数据加载器批量的加载样本。

DataLoader 是一个迭代器，用于从 Dataset 中批量加载数据。它的主要功能包括：

• 批量加载：将多个样本组合成一个批次。
• 打乱数据：在每个 epoch 中随机打乱数据顺序。
• 多线程加载：使用多线程加速数据加载。

import torch
def test02():x = torch.randn(100, 20)y = torch.randn(100, 1)dataset = TensorDataset(x, y)dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=20,shuffle=True)for sample, label in dataloader:print(sample)print(label)break
if __name__ == '__main__':test02()

3.3 使用数据加载器重构函数最优解案例

def train():# 数据准备in_features = 10out_features = 1x, y, coef, bias = build_data(in_features, out_features)dataset = TensorDataset(x, y)dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=100,shuffle=True)# 定义网络模型model = nn.Linear(in_features, out_features)# 损失函数criterion = nn.MSELoss()# 优化器opt = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)epochs = 20for epoch in range(epochs):for tx, ty in dataloader:y_pred = model(tx)loss = criterion(y_pred, ty)opt.zero_grad()loss.backward()opt.step()print(f'epoch:{epoch},loss:{loss.item()}')# detach()、data:作用是将计算图中的weight参数值获取出来print(f'真实权重：{coef.numpy()}, 训练权重：{model.weight.data.numpy()}')print(f'真实偏置：{bias},训练偏置：{model.bias.item()}')
if __name__ == '__main__':train()

3.4 数据加载器加载案例

通过一些数据集的加载案例，真正了解数据类及数据加载器

import torch
from torch.utils.data import DataLoader,TensorDataset
from torch import nn
import pandas as pd
from torchvision import datasets, transformsdef build_csv_data(filepath):df = pd.read_csv(filepath)df.drop(["姓名","学号"],axis=1,inplace=True)print(df.head())samples=df.iloc[:,:-1].valueslabels=df.iloc[:,-1].valuessamples=torch.from_numpy(samples).float()labels=torch.from_numpy(labels).long()return samples,labels#加载csv数据集
def load_csv_data():filepath="torch-fcnn/fcnn-demo/datasets/大数据答辩成绩表.csv"samples,labels=build_csv_data(filepath)dataset=TensorDataset(samples,labels)dataloader=DataLoader(dataset,batch_size=32,shuffle=True)for i,data in enumerate(dataloader):inputs,labels=dataprint(inputs.shape,labels.shape)print(inputs,labels)#加载图片
def load_image_data():path="torch-fcnn/fcnn-demo/datasets/animals"transforms=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),#转换为张量])datasets=datasets.ImageFolder(path,transforms)dataloader=DataLoader(datasets,batch_size=4,shuffle=True)for x,y in dataloader:print(x.shape)print(y.shape)if __name__ == '__main__':load_csv_data()load_image_data()