Tensorflow_基础(下)

曾经终败给现在 2022-03-10 15:24 284阅读 0赞

激活函数activation function :引入激活函数,避免纯线性组合,提高模型的表达力,使模型有更好的区分度

常用的激活函数:tf.nn.relu() / tf.nn.sigmold() / tf.nn.tanh()

NN复杂度:多用NN层数和NN参数个数表示。
层数=隐藏层的层数+1个输出层;
总参数= 总W+总b

神经网络优化:
损失函数loss:
预测值(y)与已知答案(y_)的差距:
NN优化目标:loss最小 :mse (Mean Squared Error)/ 自定义 / ce(Cross Entropy)

均方误差mse:loss_mse=tf.reduce_mean(tf.square(y_-y)

  1. #coding:utf-8
  2. #预测多或少的影响一样
  3. #0导入模块,生成数据集
  4. import tensorflow as tf
  5. import numpy as np
  6. BATCH_SIZE=8
  7. SEED=23455
  8. rdm=np.random.RandomState(SEED)
  9. X=rdm.rand(32,2)
  10. Y_=[[x1+x2+(rdm.rand()/10.0-0.05)] for (x1,x2) in X]
  11. #1定义神经网络的输入,参数和输出,定义前向传播过程。
  12. x=tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2))
  13. y_=tf.placeholder(tf.float32,shape=(None,1))
  14. w1=tf.Variable(tf.random_normal([2,1],stddev=1,seed=1))
  15. y=tf.matmul(x,w1)
  16. #2定义损失函数及反向传播过程。
  17. #定义损失函数为MSE,反向传播方法为梯度下降。
  18. loss_mse = tf.reduce_mean(tf.square(y_-y))
  19. train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.001).minimize(loss_mse)
  20. #3生成会话,训练STEPS轮:
  21. with tf.Session() as sess:
  22. init_op = tf.global_variables_initializer()
  23. sess.run(init_op)
  24. STEPS=20000
  25. for i in range(STEPS):
  26. start=(i*BATCH_SIZE)%32
  27. end=(i*BATCH_SIZE)%32 + BATCH_SIZE
  28. sess.run(train_step,feed_dict={x:X[start:end],y_:Y_[start:end]})
  29. if i % 500 == 0:
  30. print ("After %d training steps, w1 is :" % (i))
  31. print ((sess.run(w1)),"\n")
  32. print ("Final w1 is: \n", sess.run(w1))
  33. 结果:
  34. Final w1 is:
  35. [[0.98019385]
  36. [1.0159807 ]]

自定义损失函数:如预测商品销量,预测多了,损失成本;预测少了,损失利润。若利润与成本不相等,则mse产生的loss无法利益最大化。

  1. loss=tf.reduce_sum(tf.where(tf.where(tf.greater(y,y_),COST(y-y_),PROFIT(y_-y)))
  2. #tf.where(tf.greater(y,y_)询问 y 是否大于y_,若成立,则取COST(y-y_),不成立取PROFIT(y_-y)
  3. #coding:utf-8
  4. #预测多或少的影响不一样,成本第,利润高
  5. #0导入模块,生成数据集
  6. import tensorflow as tf
  7. import numpy as np
  8. BATCH_SIZE=8
  9. SEED=23455
  10. COST=1
  11. PROFIT=9
  12. rdm=np.random.RandomState(SEED)
  13. X=rdm.rand(32,2)
  14. Y_=[[x1+x2+(rdm.rand()/10.0-0.05)] for (x1,x2) in X]
  15. #1定义神经网络的输入,参数和输出,定义前向传播过程。
  16. x=tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2))
  17. y_=tf.placeholder(tf.float32,shape=(None,1))
  18. w1=tf.Variable(tf.random_normal([2,1],stddev=1,seed=1))
  19. y=tf.matmul(x,w1)
  20. #2定义损失函数及反向传播过程。
  21. #定义损失函数为MSE,反向传播方法为梯度下降。
  22. loss_mse = tf.reduce_mean(tf.where(tf.greater(y,y_),(y-y_)*COST,(y_-y)*PROFIT))
  23. train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.001).minimize(loss_mse)
  24. #3生成会话,训练STEPS轮:
  25. with tf.Session() as sess:
  26. init_op = tf.global_variables_initializer()
  27. sess.run(init_op)
  28. STEPS=20000
  29. for i in range(STEPS):
  30. start=(i*BATCH_SIZE)%32
  31. end=(i*BATCH_SIZE)%32 + BATCH_SIZE
  32. sess.run(train_step,feed_dict={x:X[start:end],y_:Y_[start:end]})
  33. if i % 500 == 0:
  34. print ("After %d training steps, w1 is :" % (i))
  35. print ((sess.run(w1)),"\n")
  36. print ("Final w1 is: \n", sess.run(w1))

交叉熵ce(Cross Entropy):表征两个概率分布之间的距离

  1. ce=-tf.reduce_mean(y_*tf.log(tf.clip_by_value(y,1e-12,1.0)))

当n分类的n个输出(y1,y2,…yn)通过softmax()函数,便满足了概率分布要求:

  1. ce = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y,labels=tf.argmax(y_,1))
  2. cem = tf.reduce_mean(ce)

输出即为当前预测值与标准答案间的差距,也就是损失函数。

学习率learning_rate:每次参数更新的幅度:
w(n+1) = w(n) - learning_rate*grad
更新后的参数 = 当前参数 - 学习率 * 损失函数的梯度
优化参数w,就是要找到某个参数w使得损失函数的梯度最小,从而使损失函数最小。

  1. #coding:utf-8
  2. #设损失函数为 loss = (w+1)^2,令w的初值是5,反向传播就是求最优w,即求最小loss对应的w的值
  3. import tensorflow as tf
  4. #定义待优化参数w初值为5
  5. w=tf.Variable(tf.constant(5,dtype=tf.float32))
  6. #定义损失函数loss
  7. loss=tf.square(w+1)
  8. #定义反向传播方法
  9. train_step=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.2).minimize(loss)
  10. #生成会话,训练40轮
  11. with tf.Session() as sess:
  12. init_op=tf.global_variables_initializer()
  13. sess.run(init_op)
  14. for i in range (40):
  15. sess.run(train_step)
  16. w_val = sess.run(w)
  17. loss_val=sess.run(loss)
  18. print ("After % steps: w is %f, loss is %f." %(i, w_val,loss_val))

学习率设置多少合适 :学习率过大震荡不收敛,过小收敛速度漫。
指数衰减学习率:

  1. learning_rate=LEARNING_RATE_BASE.LAERNING_RATE_DECAY
  2. #学习率基数,学习率初始值 学习率衰减率(0,1) ,
  3. global_step/LEARNING_RATE_STEP 多少轮更新一次学习率=样本总数/BATCH_SIZE
  4. global_step=tf.Variable(0,trainable=False)
  5. learning_rate=tf.train.exponential_decay(
  6. LEARNING_RATE_BASE,
  7. global_step,
  8. LEARNING_RATE_STEP,
  9. LEARNING_RATE_DECAY,
  10. staircase=True)
  11. #coding:utf-8
  12. #设损失函数为 loss = (w+1)^2,令w的初值是10,反向传播就是求最优w,即求最小loss对应的w的值
  13. #使用指数衰减的学习率,在迭代初期得到较高的下降渡,可在较小的训练轮数下取得更有收敛度
  14. import tensorflow as tf
  15. LEARNING_RATE_BASE = 0.1 #最初学习率
  16. LEARNING_RATE_DECAY = 0.99 #学习率衰减率
  17. LEARNING_RATE_STEP = 1 #喂入多少轮的BATCH_SIZE后,更新一次学习率,一般设为:样本总数/BATCH_SIZE
  18. #运行了几轮的BATCH_SIZE的计数器,初值给0,设为不被训练
  19. global_step=tf.Variable(0,trainable=False)
  20. #定义指数下降学习率
  21. learning_rate= tf.train.exponential_decay(LEARNING_RATE_BASE,global_step,LEARNING_RATE_STEP,LEARNING_RATE_DECAY,staircase=True)
  22. #定义待优化参数w初值为10
  23. w=tf.Variable(tf.constant(10,dtype=tf.float32))
  24. #定义损失函数loss
  25. loss=tf.square(w+1)
  26. #定义反向传播方法
  27. train_step=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.2).minimize(loss)
  28. #生成会话,训练40轮
  29. with tf.Session() as sess:
  30. init_op=tf.global_variables_initializer()
  31. sess.run(init_op)
  32. for i in range (40):
  33. sess.run(train_step)
  34. learning_rate_val=sess.run(learning_rate)
  35. global_step_val=sess.run(global_step)
  36. w_val = sess.run(w)
  37. loss_val=sess.run(loss)
  38. print ("After % steps:global_step is %f , w is %f,learning_rate is %f, loss is %f." %(i,global_step_val, w_val,learning_rate_val,loss_val))

滑动平均ema(影子值):记录了每个参数一段时间内过往值的平均,增加了模型的泛化性。针对所有参数:w 和 b
(像是个参数加了影子,参数变化,影子慢慢追随)

影子 = 衰减率 + 影子 +(1 - 衰减率)+ 参数 影子缓存相随

衰减率 = min { MOVING_AVGRAGE_DECAY ,(1+轮数)/(10+轮数)}

  1. MOVING_AVERAGE_DECAY0.99,轮数global_step0w1的滑动平均值为0,参数w1更新为1则:
  2. w1滑动平均值=min(0.99,1/10)*0+(1-min(0.99,1/10)*1=0.9
  3. 轮数global_step100时,参数w1更新为10则:
  4. w1滑动平均值=min(0.99,101/110)*0.9+(1-min(0.99,101/110)*10=0.826+0.818=1.644
  5. 再次运行
  6. w1滑动平均值=min(0.99,101/110)*1.644+(1-min(0.99,101/110)*10=2,328
  7. 再次运行
  8. w1滑动平均值=2.956
  9. ema = tf.train.ExponentialMovingAverage(
  10. 衰减率MOVING_AVERAGE_DECAY,
  11. 当前轮数global_step)
  12. ema_op = ema.apply([])
  13. ema_op = ema.apply(tf.trainable_variables()) #
  14. with tf.control_dependencies([train_step,ema_op]):
  15. train_op=tf.no.op(name='train')
  16. ema.average(参数名) #查看某参数的滑动平均值
  17. #coding:utf-8
  18. import tensorflow as tf
  19. #0定义变量及滑动平均类
  20. #定义一个3位浮点变量,初始值为0.0 这个代码就是不断更新w1参数,优化w1参数,滑动平均做了个w1的影子
  21. w1 = tf.Variable(0, dtype=tf.float32)
  22. #定义num_update(NN的迭代次数),初始值为0,不可被优化(训练),这个参数不训练。
  23. global_step = tf.Variable(0,trainable=False)
  24. #实例化滑动平局类,给删减率0.99,当前轮数global.step
  25. MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99
  26. ema = tf.train.ExponentialMovingAverage(MOVING_AVERAGE_DECAY, global_step)
  27. #ems.apply后的括号例是更新列表,每次运行sess.run(eam_op)时,对更新列表中的元素求滑动平均值
  28. #在实际应用中会使用tf.trainable_variables()自动将所有带训练的参数汇总为列表
  29. #ema_op = ema.apply([w1])
  30. ema_op = ema.apply(tf.trainable_variables())
  31. #查看不同迭代中变量取值的变化
  32. with tf.Session() as sess:
  33. #初始化
  34. init_op = tf.global_variables_initializer()
  35. sess.run(init_op)
  36. #用ema.average(w1)获取w1滑动平均值 (要运行多个节点,作为列表中的元素列出,写在sess.run中)
  37. #打印出当前参数w1和w1的滑动平均值。
  38. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  39. #参数w1的值赋为1.
  40. sess.run(tf.assign(w1,1))
  41. sess.run(ema_op)
  42. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  43. #更新step和w1的值,模拟出100轮迭代后,参数w1变为10
  44. sess.run(tf.assign(global_step, 100))
  45. sess.run(tf.assign(w1,10))
  46. sess.run(ema_op)
  47. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  48. #每次sess.run 后会更新呢一次w1的滑动平均值
  49. sess.run(ema_op)
  50. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  51. sess.run(ema_op)
  52. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  53. sess.run(ema_op)
  54. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  55. sess.run(ema_op)
  56. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  57. sess.run(ema_op)
  58. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))
  59. sess.run(ema_op)
  60. print (sess.run([w1,ema.average(w1)]))

正则化regularization:缓解过拟合
正则化在损失函数中引入模型复杂度指标,利用给w加权,弱化了训练数据的噪声

  1. loss = loss (y y_)+REGULARIZER*loss(w)
  2. loss为模型中所有参数的损失函数,如均方误差,交叉熵等
  3. 超参数 REGULARIZER给出参数w在总loss中的比例,即正则化的权重
  4. w是需要 正则化的参数
  5. loss(w) = tf.contrib.layers.l1_regularizer(REGULARIZER)(w) #对所有参数的绝对值求和
  6. loss(w) = tf.contrib.layers.l2_regualrizer(REGULARIZER)(w)#对所有参数的平方的绝对值求和
  7. tf.add_to_collection('losser',tf.contreb.layerss.l2_regularizer(regularizer)(w))
  8. loss = cem +tf.add_n(tf.get_collection('losser'))
  9. import matplotlib,pyplot as plt
  10. plt.scatter(x坐标,y坐标,c="颜色")
  11. plt.show()
  12. xx,yy = np.mgrid[起止:步长;起止:步长) grid = np.c_[xx.ravel(),yy.ravel()]
  13. probs = sess.run(y,feed_dict={x:grid})
  14. probs = probs.reshape(xx.shape)
  15. plt.contour(x轴坐标值,y坐标值,该店的高度,levels=[等高线的高度])
  16. plt.show()
  17. #coding:utf-8
  18. #0导入模块生成模拟数据集
  19. import tensorflow as tf
  20. import numpy as np
  21. import matplotlib.pyplot as plt
  22. BATCH_SIZE = 30
  23. seed = 2
  24. #基于seed产生随机数
  25. rdm = np.random.RandomState(seed)
  26. #随机数返回300行2列,表示300组坐标点, (X0,X1) 作为输入数据集
  27. X=rdm.randn(300,2)
  28. #从X这个300行2列的矩阵中取出一行,判断如果2个坐标的平方和小于2,给Y赋值1,其余赋值0
  29. #作为输入数据集的标签(正确答案)
  30. Y_= [int(x0*x0 + x1*x1 < 2) for (x0,x1 ) in X ]
  31. #遍历Y中的每个元素,1赋值red,其余赋值 blue,这样可视化显示时,人可以直观区分
  32. Y_c = [['red' if y else 'blue'] for y in Y_]
  33. #对数据集X和标签Y进行shape整理,第一个元素为-1表示,第二个参数计算得到,第二个元素表示多少列,把X整理为n行2列,把Y整理成n行1列
  34. X = np.vstack(X).reshape(-1,2)
  35. Y_ = np.vstack(Y_).reshape(-1,1)
  36. print (X)
  37. print (Y_)
  38. print (Y_c)
  39. #用plt.scatter画出数据集x各行中第0列元素和第1列元素的点即各行 (x0,x1) , 用各行Y_c对应的值表示颜色
  40. plt.scatter(X[:,0],X[:,1], c=np.squeeze(Y_c))
  41. plt.show()
  42. #定义神经网络的输入,参数和输出,定义前向传播过程
  43. def get_weight(shape, regularizer):
  44. w=tf.Variable(tf.random_normal(shape), dtype=tf.float32)
  45. tf.add_to_collection('losses',tf.contrib.layers.l2_regularizer(regularizer)(w))
  46. return w
  47. def get_bias(shape):
  48. b=tf.Variable(tf.constant(0.01, shape=shape))
  49. return b
  50. x=tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 2))
  51. y_=tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, 1))
  52. w1 = get_weight([2,11],0.01)
  53. b1 = get_bias([11])
  54. y1 = tf.nn.relu(tf.matmul(x,w1) + b1)
  55. w2 = get_weight([11,1],0.01)
  56. b2 = get_bias([1])
  57. y = tf.matmul(y1, w2) + b2#输出层不过激活
  58. #定义损失函数
  59. loss_mse = tf.reduce_mean(tf.square(y-y_))
  60. loss_total = loss_mse + tf.add_n(tf.get_collection('losses'))
  61. #定义方向传播方法:不含正则化
  62. train_step=tf.train.AdadeltaOptimizer(0.0001).minimize(loss_mse)
  63. with tf.Session() as sess:
  64. init_op = tf.global_variables_initializer()
  65. sess.run(init_op)
  66. STEPS = 40000
  67. for i in range(STEPS):
  68. start = (i*BATCH_SIZE)%300
  69. end = start + BATCH_SIZE
  70. sess.run(train_step,feed_dict={x:X[start:end], y_:Y_[start:end]})
  71. if i % 2000 == 0:
  72. loss_mse_v = sess.run(loss_mse, feed_dict={x:X, y_:Y_})
  73. print ("After %d steps , loss is: %f" % (i,loss_mse_v))
  74. #xx在-3到3之间以步长0.01,yy在-3到3之间以步长0.01,生成二维网格坐标点
  75. xx, yy = np.mgrid[-3:3:.01, -3:3:.01]
  76. #将xx,yy拉直,并合并成一个2列的矩阵,得到一个网格坐标点的集合
  77. grid = np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()]
  78. #将网格坐标点喂入神经网络,probs为输出
  79. probs=sess.run(y, feed_dict={x:grid})
  80. #prob的shape调整成xx的样子
  81. probs=probs.reshape(xx.shape)
  82. print ("w1:\n",sess.run(w1))
  83. print ("b1:\n",sess.run(b1))
  84. print ("w2:\n",sess.run(w2))
  85. print ("b2:\n",sess.run(b2))
  86. plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=np.squeeze(Y_c))
  87. plt.contour(xx,yy,probs,levels=[.5])
  88. plt.show()

搭建模块化的神经网络八股:
前线传播即搭建网络,设计网络结果(forward.py)

  1. def forwardd(x, regularizer): //定义了前向传播过程
  2. w =
  3. b =
  4. y =
  5. return y
  6. def get_weight(shape,regularizer): //给w赋初值,把每个layers的正则化损失加到总损失中
  7. w = tf.Variable( )
  8. tf.add_to_collection("losses",tf.contrib.layers.l2_regualrizer(regularizer)(w))
  9. return w
  10. def get_bias(shape): //与参数b有关,某层中b的个数
  11. b = tf.Vraiable( )
  12. return b
  13. def backward( ):
  14. x = tf.placeholder( )
  15. y_ =tf.placeholder( )
  16. global_step = tf.Variable(0,trainable=False)
  17. loss //loss可以是y与y_的差距=tf.reduce_mean(tf.square(y-y_)) 也可以是
  18. ce=tf.nn.square_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y,labels=tf.argmax(y_,1))
  19. yy_的差距 = tf.reduce_mean(ce)
  20. 加入正则化后:loss=yy_的差距 + tf.add_n(tf.get_collection("losses"))
  21. learning_rate = tf.train.exponential_decay( // 指数衰减学习率
  22. LEARNING_RATE_BASE,
  23. global_step,
  24. 数据采集样本总数/BATCH_SIZE,
  25. LEARNING_RATE_DECAY,
  26. staircase=True)
  27. train_step=tf.train.GradinetDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss,global_step=global_step)
  28. ema=tf.train.ExponentialMovingAverage(MOVING_AVERAGE_DECAY,global_step) //滑动平均
  29. ema_op=ema.apply(tf.trainable_variable())
  30. with tf.control_depandencies([train_step,ema_op]);
  31. train_op = tf.no_op(name="train")
  32. with tf.Sessin() as sess:
  33. init_op = tf.global_variables_initializer()
  34. sess.run(init_op)
  35. for i in range(STEPS):
  36. sess.run(train_step,feed_dict={x:,y_:})
  37. if i % 轮数 ==0
  38. print
  39. if __name__== '__main__''
  40. backward()

#generateds

  1. import numpy as np
  2. import matplotlib.pyplot as plt
  3. seed = 2
  4. def generateds():
  5. rdm = np.random.RandomState(seed)
  6. X=rdm.randn(300,2)
  7. Y_=[int(x0*x0 +x1*x1<2) for (x0, x1) in X ]
  8. Y_c = [['red' if y else 'blue'] for y in Y_]
  9. X=np.vstack(X).reshape(-1,2)
  10. Y_=np.vstack(Y_).reshape(-1,1)
  11. return X, Y_, Y_c

#forward

  1. import tensorflow as tf
  2. def get_weight(shape, regularizer):
  3. w = tf.Variable(tf.random_normal(shape),dtype=tf.float32)
  4. tf.add_to_collection('losses',tf.contrib.layers.l2_regularizer(regularizer)(w))
  5. return w
  6. def get_bias(shape):
  7. b=tf.Variable(tf.constant(0.01,shape=shape))
  8. return b
  9. def forward(x, regularizer):
  10. w1 = get_weight([2,11],regularizer)
  11. b1 = get_bias([11])
  12. y1 = tf.nn.relu(tf.matmul(x,w1)+b1)
  13. w2 = get_weight([11,1],regularizer)
  14. b2 = get_bias([1])
  15. y = tf.matmul(y1,w2) + b2 #输出层不过激活
  16. return y

#backward

  1. import tensorflow as tf
  2. import numpy as np
  3. import matplotlib.pyplot as plt
  4. import forward
  5. import generateds
  6. STEPS=40000
  7. BATCH_SIZE=30
  8. LEARNING_RATE_BASE=0.001
  9. LEARNING_RATE_DECAY=0.999
  10. REGULARIZER = 0.01
  11. def backward():
  12. x = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None,2))
  13. y_ = tf.placeholder(tf.float32,shape=(None,1))
  14. X, Y_, Y_c = generateds.generateds()
  15. y = forward.forward(x,REGULARIZER)
  16. global_step = tf.Variable(0,trainable = False)
  17. learning_rate = tf.train.exponential_decay(
  18. LEARNING_RATE_BASE,
  19. global_step,
  20. 300/BATCH_SIZE,
  21. LEARNING_RATE_DECAY,
  22. staircase=True)
  23. #定义损失函数
  24. loss_mse = tf.reduce_mean(tf.square(y-y_))
  25. loss_total = loss_mse + tf.add_n(tf.get_collection('losses'))
  26. train_step = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(loss_total)
  27. with tf.Session() as sess:
  28. init_op=tf.global_variables_initializer()
  29. sess.run(init_op)
  30. for i in range (STEPS):
  31. start = (i*BATCH_SIZE)%300
  32. end=start+BATCH_SIZE
  33. sess.run(train_step,feed_dict={x:X[start:end] , y_:Y_[start:end]})
  34. if i % 2000 == 0:
  35. loss_v =sess.run(loss_total,feed_dict={x:X,y_:Y_ })
  36. print ("After %d steps, loss is: %f" % (i,loss_v))
  37. xx, yy = np.mgrid[-3:3:.01,-3:3:.01 ]
  38. grid =np.c_[xx.ravel(),yy.ravel()]
  39. probs = sess.run(y,feed_dict={x:grid})
  40. probs = probs.reshape(xx.shape)
  41. plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=np.squeeze(Y_c))
  42. plt.contour(xx,yy, probs,levels=[.5])
  43. plt.show()
  44. if __name__ == '__main__':
  45. backward()

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