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wzjs 2025/8/6 4:11:35

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层:深度学习的基础模块

神经网络的基本数据结构是层。层是一个数据处理模块，它接收一个或多个张量作为输入，并输出一个或多个张量。有些层是无状态的，但大多数层具有状态，即层的权重。权重是利用随机梯度下降学到的一个或多个张量，其中包含神经网络的知识(knowledge)。

不同类型的层适用于不同的张量格式和不同类型的数据处理。例如，简单的向量数据存储在形状为(samples，features)的2阶张量中，通常用密集连接层[denselyconnected layer，也叫全连接层(fully connected layer)或密集层(dense layer)，对应于 Keras 的 Dense 类〕来处理。序列数据存储在形状为(samples，timesteps，features)的3阶张量中，通常用循环层(recurrentlayer)来处理,比如LSTM层或一维卷积层(Conv1D)。图像数据存储在4阶张量中，通常用二维卷积层(Conv2D)来处理。

可以把层看作深度学习的乐高积木。在 Keras 中构建深度学习模型，就是将相互兼容的层拼接在一起，建立有用的数据变换流程。

Keras 的 Layer 基类

简单的 API应该具有单一的核心抽象概念。在 Keras 中，这个核心概念就是 ayer 类。Keras 中的一切，要么是 Layer，要么与 Layer 密切交互。

Layer 是封装了状态(权重)和计算(一次前向传播)的对象。权重通常在build() 中定义(不过也可以在构造函数 init ()中创建)，计算则在 call()方法中定义。前面，我们实现了一个NaiveDense类，它包含两个权重w和b，并进行如下计算:output =activation(dot(input， w)+ b)。Keras 的层与之非常相似。

代码清单：

from tensorflow import kerasimport tensorflow as tfclass SimpleDense(keras.layers.Layer): #Keras 的所有层都继承自 Layer 基类def __init__ (self,units,activation=None):super().__init__()self.units =unitsself.activation =activation#在 build()方法中创建权重def build(self,input_shape):input_dim = input_shape[-1]#add weight()是创建权重的快捷方法。self.w=self.add_weight(shape=(input_dim, self.units),initializer="random_normal")self.b=self.add_weight(shape=(self.units,),initializer="zeros")def call(self,inputs): #在 ca11()方法中定义前向传播计算y = tf.matmul(inputs,self.w) + self.bif self.activation is not None:y= self.activation(y)return y

将层实例化，它就可以像函数一样使用，接收一个TensorFlow张量作为输入。

my_dense = SimpleDense(units=32, activation=tf.nn.relu)#创建一些测试输入input_tensor =tf.ones(shape=(2, 784))#对输入调用层，就像调用函数一样output_tensor =my_dense(input_tensor)print(output_tensor.shape)

既然最终对层的使用就是简单调用(通过层的__ca11__()方法)，那为什么还要实现 ca11 ()和 build()呢?原因在于能够及时创建状态。

自动推断形状:动态构建层

就像玩乐高积木一样，只能将兼容的层“拼接”在一起。层兼容性(layer compatibility)的概念具体指的是，每一层只接收特定形状的输入张量，并返回特定形状的输出张量。

from tensorflow.keras import layers#有32个输出单元的密集层layer = layers.Dense(32,activation="relu")

该层将返回一个张量，其第一维的大小已被转换为 32。它后面只能连接一个接收32维向量作为输入的层。在使用 Keras 时，往往不必担心尺寸兼容性问题，因为添加到模型中的层是动态构建的，以匹配输入层的形状。

from tensorflow.keras import modelsfrom tensorflow.keras import layersmodel = models.Sequential(「layers.Dense(32,activation"relu")layers.Dense(32)

这些层没有收到任何关于输入形状的信息;相反，它们可以自动推断，遇到第一个输入的形状就是其输入形状。我们实现的简单Dense层NaiveDense中，必须将该层的输入大小明确传递给构造函数，以便能够创建其权重。这种方法并不理想，因为它会导致模型的每个新层都需要知道前一层的形状。

model = NaiveSequential([NaiveDense(input_size=784, output_size=32，activation="relu"),NaiveDense(input_size=32, output_size=64, activation"relu"),NaiveDense(input_size=64, output_size=32, activation="relu")NaiveDense(input_size=32,output_size=10，activation="softmax")])

如果某一层生成输出形状的规则很复杂，那就更糟糕了。如果某一层返回输出的形状是 (batch，input_size*2 if input_size % 2==0 else input_size * 3)，那该怎么办?

如果我们把 NaiveDense 层重新实现为能够自动推断形状的 Keras 层，那么它看起来就像前面的
SimpleDense层，具有 build()方法和 cal1()方法。在simpleDense中，我们不再像NaiveDense 示例那样在构造函数中创建权重;相反，我们在一个专门的状态创建方法 build()中创建权重。这个方法接收该层遇到的第一个输入形状作为参数。第一次调用该层时(通过其__ca11__()方法)，build()方法会自动调用。事实上，这就是为什么我们将计算定义在一个单独的 ca11()方法中，而不是直接定义在__ca11__()方法中。基类层__ca11__()方法的代码大致如下。

def __ca11__ (self,inputs):if not self.built:self.build(inputs.shape)self.built = Truereturn self.call(inputs)

有了自动形状推断，前面的示例就变得简洁了，如下所示。

model= keras.Sequential([SimpleDense(32,activation="relu")SimpleDense(64，activation="relu")SimpleDense(32，activation="relu")SimpleDense(10，activation-"softmax")])

自动形状推断并不是Layer类的__ca1l__()方法的唯一功能。它还要处理更多的事情，特别是急切执行和图执行之间的路由)，以及输入掩码。

从层到模型

深度学习模型是由层构成的图，在 Keras 中就是Model类。sequential类是层的简单堆叠，将单一输入映射为单一输出。一些常见的网络拓扑结构包括:

双分支(two-branch)网络

多头(multihead)网络

残差连接

网络拓扑结构可能会非常复杂。例如，下图是Transformer 各层的图拓扑结构，这是一个用于处理文本数据的常见架构。

在这里插入图片描述

在 Keras 中构建模型通常有两种方法:直接作为 Model类的子类，或者使用函数式 API，后者可以用更少的代码做更多的事情。

模型的拓扑结构定义了一个假设空间。机器学习就是在预先定义的可能性空间内，利用反馈信号的指引，寻找特定输入数据的有用表示。通过选择网络拓扑结构，你可以将可能性空间(假设空间)限定为一系列特定的张量运算，将输入数据映射为输出数据。然后，你要为这些张量运算的权重张量寻找一组合适的值。

要从数据中学习，你必须对其进行假设。这些假设定义了可学习的内容。因此，假设空间的结构(模型架构)是非常重要的。它编码了你对问题所做的假设，即模型的先验知识。如果你正在处理一个二分类问题，使用的模型由一个没有激活的 Dense 层组成(纯仿射变换)，那么你就是在假设这两个类别是线性可分的。

选择正确的网络架构，更像是一门艺术而不是科学。虽然有一些最佳实践和原则，但只有实践才能帮助成为合格的神经网络架构师。掌握构建神经网络的原则，并训练直觉，判断哪些架构对特定问题有效、哪些无效。深刻熟悉这些问题:每种类型的模型架构适合解决哪类问题?在实践中如何构建这些网络?如何选择正确的学习配置?如何调节模型，直到产生想要的结果。

编译步骤:配置学习过程

一旦确定了模型的网络架构，还需要选定以下3个参数。

损失函数(目标函数)————在训练过程中需要将其最小化。它衡量的是当前任务是否成功。

优化器————决定如何基于损失函数对神经网络进行更新。它执行的是随机梯度下降(SGD)的某个变体。

指标————衡量成功的标准，在训练和验证过程中需要对其进行监控，如分类精度。与损失不同，训练不会直接对这些指标进行优化。因此，指标不需要是可微的。

一旦选定了损失函数、优化器和指标，就可以使用内置方法 compile()和 fit()开始训练模型。此

外，也可以编写自定义的训练循环。下面我们来看一下 compile()和 fit()。

compile()方法的作用是配置训练过程。它接收的参数是optimizer、loss和metrics(一个列表)。

model = keras.Sequential([keras.layers.Dense(1)]) #定义一个线性分类器model.compile(optimizer"rmsprop" #指定优化器的名称:RMSprop(不区分大小写)1oss="mean squared error" #指定损失函数的名称:均方误差metrics=["accuracy"]) #指定指标列表:本例中只有精度

在上面对 compile()的调用中，我们把优化器、损失函数和指标作为字符串(如"rmsprop")来传

递。这些字符串实际上是访问 Python 对象的快捷方式。例如，"rmsprop"会变成 keras.optimizers.RMSprop()。重要的是，也可以把这些参数指定为对象实例，如下所示。

model.compile(optimizer=keras.optimizers.RMsprop()loss=keras.losses.MeanSquaredError()metrics=keras.metrics.BinaryAccuracy()如果你想传递自定义的损失函数或指标，或者想进一步配置正在使用的对象，比如向优化器传入参数learning rate，那么这种方法很有用。model,compile(optimizer=keras.optimizers.RMSprop(learning rate-le-4)1oss=my custom ossmetrics=lmy custom metric 1my custom metric 2])