深度學習建模預(yù)測全流程（Python）！

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本文詳細地梳理及實現(xiàn)了深度學習模型構(gòu)建及預(yù)測的全流程，代碼示例基于python及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫keras，通過設(shè)計一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型做波士頓房價預(yù)測。主要依賴的Python庫有：keras、scikit-learn、pandas、tensorflow（建議可以安裝下anaconda包，自帶有常用的python庫）

一、基礎(chǔ)介紹

• 機器學習

機器學習的核心是通過模型從數(shù)據(jù)中學習并利用經(jīng)驗去決策。進一步的，機器學習一般可以概括為：從數(shù)據(jù)出發(fā)，選擇某種模型，通過優(yōu)化算法更新模型的參數(shù)值，使任務(wù)的指標表現(xiàn)變好（學習目標），最終學習到“好”的模型，并運用模型對數(shù)據(jù)做預(yù)測以完成任務(wù)。由此可見，機器學習方法有四個要素：數(shù)據(jù)、模型、學習目標、優(yōu)化算法。具體可見系列文章：一篇白話機器學習概念

• 深度學習

深度學習是機器學習的一個分支，它是使用多個隱藏層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過大量的向量計算，學習到數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律的高階表示特征，并利用這些特征決策的過程。

• keras簡介

本文基于keras搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型去預(yù)測，keras是python上常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫。相比于tensorflow、Pytorch等庫，它對初學者很友好，開發(fā)周期較快。下圖為keras要點知識的速查表（原圖文末閱讀原文后可見）：

二、建模流程

深度學習的建模預(yù)測流程，與傳統(tǒng)機器學習整體是相同的，主要區(qū)別在于深度學習是端對端學習，可以自動提取高層次特征，大大減少了傳統(tǒng)機器學習依賴的特征工程。如下詳細梳理流程的各個節(jié)點并附相應(yīng)代碼：

2.1 明確問題及數(shù)據(jù)選擇

2.1.1 明確問題

深度學習的建模預(yù)測，首先需要明確問題，即抽象為機器 / 深度學習的預(yù)測問題：需要學習什么樣的數(shù)據(jù)作為輸入，目標是得到什么樣的模型做決策作為輸出。

以預(yù)測房價為例，我們需要輸入：和房價有關(guān)的數(shù)據(jù)信息為特征x，對應(yīng)的房價為y作為監(jiān)督信息。再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學習特征x到房價y內(nèi)在的映射關(guān)系。通過學習好的模型輸入需要預(yù)測數(shù)據(jù)的特征x，輸出模型預(yù)測Y。對于一個良好的模型，它預(yù)測房價Y應(yīng)該和實際y很接近。

2.1.2 數(shù)據(jù)選擇

深度學習是端對端學習，學習過程中會提取到高層次抽象的特征，大大弱化特征工程的依賴，正因為如此，數(shù)據(jù)選擇也顯得格外重要，其決定了模型效果的上限。如果數(shù)據(jù)質(zhì)量差，預(yù)測的結(jié)果自然也是很差的——業(yè)界一句名言“garbage in garbage out”。

數(shù)據(jù)選擇是準備機器 / 深度學習原料的關(guān)鍵，需要關(guān)注的是：

①數(shù)據(jù)樣本規(guī)模：對于深度學習等復雜模型，通常樣本量越多越好。如《Revisiting Unreasonable Effectiveness of Data in Deep Learning Era 》等研究，一定規(guī)模下，深度學習性能會隨著數(shù)據(jù)量的增加而增加。然而工程實踐中，受限于硬件支持、標注標簽成本等原因，樣本的數(shù)據(jù)量通常是比較有限的，這也是機器學習的重難點。對于模型所需最少的樣本量，其實沒有固定準則，需要要結(jié)合實際樣本特征、任務(wù)復雜度等具體情況（經(jīng)驗上，對于分類任務(wù)，每個類別要上千的樣本數(shù)）。當樣本數(shù)據(jù)量較少以及樣本不均衡情況，深度學習常用到數(shù)據(jù)增強的方法，具體可見系列文章：《數(shù)據(jù)增強方法的歸納》

② 數(shù)據(jù)的代表性：數(shù)據(jù)質(zhì)量差、無代表性，會導致模型擬合效果差。需要明確與任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)表范圍，避免缺失代表性數(shù)據(jù)或引入大量無關(guān)數(shù)據(jù)作為噪音。

③ 數(shù)據(jù)時間范圍：對于監(jiān)督學習的特征變量x及標簽y，如與時間先后有關(guān)，則需要劃定好數(shù)據(jù)時間窗口，否則可能會導致常見的數(shù)據(jù)泄漏問題，即存在了特征與標簽因果顛倒的情況。

以預(yù)測房價任務(wù)為例，對數(shù)據(jù)選擇進行說明：

• 收集房價相關(guān)的數(shù)據(jù)信息（特征維度）和對應(yīng)房價（標簽），以及盡量多的樣本數(shù)。數(shù)據(jù)信息如該區(qū)域的繁華程度、教育資源、治安等情況就和預(yù)測的房價比較相關(guān)，有代表性。而諸如該區(qū)域“人均養(yǎng)的兔子數(shù)”類數(shù)據(jù)信息，對房價的預(yù)測就沒那么相關(guān)，對于無代表性的數(shù)據(jù)特征的加入，主要會增加人工處理的成本、計算復雜度，還有可能引入了模型學習的噪音。

• 劃定好數(shù)據(jù)時間窗口。比如我們可以學習該區(qū)域歷史2010~2020年的房價，預(yù)測未來2021的房價（這是一個經(jīng)典的時間序列預(yù)測問題，常用RNN模型）。但卻不能學習了2021年或者更后面的未來房價、人口數(shù)等相關(guān)信息，反過來去預(yù)測2021年房價，這就是一個數(shù)據(jù)泄露的問題（模型都學習了與標簽相關(guān)等未知的信息，還預(yù)測個啥？）。

本節(jié)代碼

如下加載數(shù)據(jù)的代碼，使用的是keras自帶的波士頓房價數(shù)據(jù)集。一些常用的機器學習開源數(shù)據(jù)集可以到kaggle.com/datasets、archive.ics.uci.edu等網(wǎng)站下載。

from?keras.datasets?import?boston_housing?#導入波士頓房價數(shù)據(jù)集

(train_x,?train_y),?(test_x,?test_y)?=?boston_housing.load_data()

波士頓房價數(shù)據(jù)集是統(tǒng)計20世紀70年代中期波士頓郊區(qū)房價等情況，有當時城鎮(zhèn)的犯罪率、房產(chǎn)稅等共計13個指標（特征）以及對應(yīng)的房價中位數(shù)（標簽）。

2.2 特征工程

特征工程就是對原始數(shù)據(jù)分析處理，轉(zhuǎn)化為模型可用的特征。這些特征可以更好地向預(yù)測模型描述潛在規(guī)律，從而提高模型對未見數(shù)據(jù)的準確性。對于深度學習模型，特征生成等加工不多，主要是一些數(shù)據(jù)的分析、預(yù)處理，然后就可以灌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型了。

2.2.1 ?探索性數(shù)據(jù)分析

選擇好數(shù)據(jù)后，可以先做探索性數(shù)據(jù)分析（EDA）去理解數(shù)據(jù)本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及規(guī)律。如果你對數(shù)據(jù)情況不了解，也沒有相關(guān)的業(yè)務(wù)背景知識，不做相關(guān)的分析及預(yù)處理，直接將數(shù)據(jù)喂給模型往往效果不太好。通過探索性數(shù)據(jù)分析，可以了解數(shù)據(jù)分布、缺失、異常及相關(guān)性等情況。

本節(jié)代碼

我們可以通過EDA數(shù)據(jù)分析庫如pandas profiling，自動生成分析報告，可以看到這份現(xiàn)成的數(shù)據(jù)集是比較"干凈的"：

import?pandas?as?pd?
import?pandas_profiling

#??特征名稱
feature_name?=?['CRIM|住房所在城鎮(zhèn)的人均犯罪率',
?'ZN|住房用地超過?25000?平方尺的比例',
?'INDUS|住房所在城鎮(zhèn)非零售商用土地的比例',
?'CHAS|有關(guān)查理斯河的虛擬變量（如果住房位于河邊則為1,否則為0?）',
?'NOX|一氧化氮濃度',
?'RM|每處住房的平均房間數(shù)',
?'AGE|建于?1940?年之前的業(yè)主自住房比例',
?'DIS|住房距離波士頓五大中心區(qū)域的加權(quán)距離',
?'RAD|距離住房最近的公路入口編號',
?'TAX?每?10000?美元的全額財產(chǎn)稅金額',
?'PTRATIO|住房所在城鎮(zhèn)的師生比例',
?'B|1000(Bk|0.63)^2,其中?Bk?指代城鎮(zhèn)中黑人的比例',
?'LSTAT|弱勢群體人口所占比例']

train_df?=?pd.DataFrame(train_x,?columns=feature_name)??#?轉(zhuǎn)為df格式

pandas_profiling.ProfileReport(train_df)??

2.2.2 特征表示

像圖像、文本字符類的數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為計算機能夠處理的數(shù)值形式。圖像數(shù)據(jù)（pixel image）實際上是由一個像素組成的矩陣所構(gòu)成的，而每一個像素點又是由RGB顏色通道中分別代表R、G、B的一個三維向量表示，所以圖像實際上可以用RGB三維矩陣（3-channel matrix）的表示（第一個維度：高度，第二個維度：寬度，第三個維度：RGB通道），最終再重塑為一列向量（reshaped image vector）方便輸入模型。

文本類（類別型）的數(shù)據(jù)可以用多維數(shù)組表示，包括：① ONEHOT（獨熱編碼）表示：它是用單獨一個位置的0或1來表示每個變量值，這樣就可以將每個不同的字符取值用唯一的多維數(shù)組來表示，將文字轉(zhuǎn)化為數(shù)值。如字符類的性別信息就可以轉(zhuǎn)換為“是否為男”、“是否為女”、“未知”等特征。

②word2vetor分布式表示：它基本的思想是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學習每個單詞與鄰近詞的關(guān)系，從而將單詞表示成低維稠密向量。通過這樣的分布式表示可以學習到單詞的語義信息，直觀來看語義相似的單詞其對應(yīng)的向量距離相近。

本節(jié)代碼

數(shù)據(jù)集已是數(shù)值類數(shù)據(jù)，本節(jié)不做處理。

2.2.2 特征清洗

• 異常值處理 收集的數(shù)據(jù)由于人為或者自然因素可能引入了異常值（噪音），這會對模型學習進行干擾。通常需要處理人為引起的異常值，通過業(yè)務(wù)及技術(shù)手段(如數(shù)據(jù)分布、3σ準則)判定異常值，再結(jié)合實際業(yè)務(wù)含義刪除或者替換掉異常值。

• 缺失值處理 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型缺失值的處理是必要的，數(shù)據(jù)缺失值可以通過結(jié)合業(yè)務(wù)進行填充數(shù)值或者刪除。① 缺失率較高，結(jié)合業(yè)務(wù)可以直接刪除該特征變量。經(jīng)驗上可以新增一個bool類型的變量特征記錄該字段的缺失情況，缺失記為1，非缺失記為0；② 缺失率較低，可使用一些缺失值填充手段，如結(jié)合業(yè)務(wù)fillna為0或-9999或平均值，或者訓練回歸模型預(yù)測缺失值并填充。

本節(jié)代碼

從數(shù)據(jù)分析報告可見，波士頓房價數(shù)據(jù)集無異常、缺失值情況，本節(jié)不做處理。

2.2.3 ?特征生成

特征生成作用在于彌補基礎(chǔ)特征對樣本信息的表達有限，增加特征的非線性表達能力，提升模型效果。它是根據(jù)基礎(chǔ)特征的含義進行某種處理（聚合 / 轉(zhuǎn)換之類），常用方法如人工設(shè)計、自動化特征衍生（如featuretools工具）：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會自動學習到高層次特征，常見的深度學習的任務(wù)，圖像類、文本類任務(wù)通常很少再做特征生成。而對于數(shù)值類的任務(wù)，加工出顯著特征對加速模型的學習是有幫助的，可以做嘗試。具體可見系列文章：一文歸納Python特征生成方法(全)

本節(jié)代碼

特征已經(jīng)比較全面，本節(jié)不再做處理，可自行驗證特征生成的效果。

2.2.4 ?特征選擇

特征選擇用于篩選出顯著特征、摒棄非顯著特征。這樣做主要可以減少特征（避免維度災(zāi)難），提高訓練速度，降低運算開銷；減少干擾噪聲，降低過擬合風險，提升模型效果。常用的特征選擇方法有：過濾法（如特征缺失率、單值率、相關(guān)系數(shù)）、包裝法（如RFE遞歸特征消除、雙向搜索）、嵌入法（如帶L1正則項的模型、樹模型自帶特征選擇）。具體可見系列文章：Python特征選擇(全)

本節(jié)代碼

模型使用L1正則項方法，本節(jié)不再做處理，可自行驗證其他方法。

2.3 模型訓練

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓練主要有3個步驟：

• 構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)（主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、激活函數(shù)的選擇、模型權(quán)重如何初始化、網(wǎng)絡(luò)層是否批標準化、正則化策略的設(shè)定）
• 模型編譯（主要有學習目標、優(yōu)化算法的設(shè)定）
• 模型訓練及超參數(shù)調(diào)試（主要有劃分數(shù)據(jù)集，超參數(shù)調(diào)節(jié)及訓練）

2.3.1 模型結(jié)構(gòu)

常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)有全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FCN)、RNN（常用于文本 / 時間系列任務(wù)）、CNN（常用于圖像任務(wù)）等等。具體可以看之前文章：一文概覽神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱藏層與輸出層構(gòu)成。不同的層數(shù)、神經(jīng)元（計算單元）數(shù)目的模型性能也會有差異。

• 輸入層：為數(shù)據(jù)特征輸入層，輸入數(shù)據(jù)特征維數(shù)就對應(yīng)著網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元數(shù)。（注：輸入層不計入模型層數(shù)）
• 隱藏層：即網(wǎng)絡(luò)的中間層（可以很多層），其作用接受前一層網(wǎng)絡(luò)輸出作為當前的輸入值，并計算輸出當前結(jié)果到下一層。隱藏層的層數(shù)及神經(jīng)元個數(shù)直接影響模型的擬合能力。
• 輸出層：為最終結(jié)果輸出的網(wǎng)絡(luò)層。輸出層的神經(jīng)元個數(shù)代表了分類類別的個數(shù)（注：在做二分類時情況特殊一點，如果輸出層的激活函數(shù)采用sigmoid，輸出層的神經(jīng)元個數(shù)為1個；如果采用softmax，輸出層神經(jīng)元個數(shù)為2個是與分類類別個數(shù)對應(yīng)的；）

對于模型結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元個數(shù) ，輸入層、輸出層的神經(jīng)元個數(shù)通常是確定的，主要需要考慮的是隱藏層的深度及寬度，在忽略網(wǎng)絡(luò)退化問題的前提下，通常隱藏層的神經(jīng)元的越多，模型有更多的容量（capcity）去達到更好的擬合效果（也更容易過擬合）。搜索合適的網(wǎng)絡(luò)深度及寬度，常用有人工經(jīng)驗調(diào)參、隨機 / 網(wǎng)格搜索、貝葉斯優(yōu)化等方法。經(jīng)驗上的做法，可以參照下同類任務(wù)效果良好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際的任務(wù)，再做些微調(diào)。

2.3.2 激活函數(shù)

根據(jù)萬能近似原理，簡單來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有“夠深的網(wǎng)絡(luò)層”以及“至少一層帶激活函數(shù)的隱藏層”，既可以擬合任意的函數(shù)。可見激活函數(shù)的重要性，它起著特征空間的非線性轉(zhuǎn)換。對于激活函數(shù)選擇的經(jīng)驗性做法：

• 對于輸出層，二分類的輸出層的激活函數(shù)常選擇sigmoid函數(shù)，多分類選擇softmax；回歸任務(wù)根據(jù)輸出值范圍來確定使不使用激活函數(shù)。
• 對于隱藏層的激活函數(shù)通常會選擇使用ReLU函數(shù)，保證學習效率。具體可見序列文章：一文講透神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)

2.3.3 權(quán)重初始化

權(quán)重參數(shù)初始化可以加速模型收斂速度，影響模型結(jié)果。常用的初始化方法有：

• uniform均勻分布初始化
• normal高斯分布初始化 需要注意的是，權(quán)重不能初始化為0，這會導致多個隱藏神經(jīng)元的作用等同于1個神經(jīng)元，無法收斂。

2.3.4 批標準化

batch normalization（BN）批標準化，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型常用的一種優(yōu)化方法。它的原理很簡單，即是對原來的數(shù)值進行標準化處理：batch normalization在保留輸入信息的同時，消除了層與層間的分布差異，具有加快收斂，同時有類似引入噪聲正則化的效果。它可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的輸入層或隱藏層，當用于輸入層，就是線性模型常用的特征標準化處理。

2.3.5 正則化

正則化是在以（可能）增加經(jīng)驗損失為代價，以降低泛化誤差為目的，抑制過擬合，提高模型泛化能力的方法。經(jīng)驗上，對于復雜任務(wù)，深度學習模型偏好帶有正則化的較復雜模型，以達到較好的學習效果。常見的正則化策略有：dropout，L1、L2、earlystop方法。具體可見序列文章：一文深層解決模型過擬合

2.3.6 選擇學習目標

機器 / 深度學習通過學習到“好”的模型去決策，“好”即是機器 / 深度學習的學習目標，通常也就是預(yù)測值與目標值之間的誤差盡可能的低。衡量這種誤差的函數(shù)稱為代價函數(shù) （Cost Function）或者損失函數(shù)（Loss Function），更具體地說，機器 / 深度學習的目標是極大化降低損失函數(shù)。

對于不同的任務(wù)，往往也需要用不同損失函數(shù)衡量，經(jīng)典的損失函數(shù)包括回歸任務(wù)的均方誤差損失函數(shù)及二分類任務(wù)的交叉熵損失函數(shù)等。

• 均方誤差損失函數(shù)

衡量模型回歸預(yù)測的誤差情況，一個簡單思路是用各個樣本i的預(yù)測值f(x;w)減去實際值y求平方后的平均值，這也就是經(jīng)典的均方誤差（Mean Squared Error）損失函數(shù)。通過極小化降低均方誤差損失函數(shù)，可以使得模型預(yù)測值與實際值數(shù)值差異盡量小。

• 交叉熵損失函數(shù)

衡量二分類預(yù)測模型的誤差情況，常用交叉熵損失函數(shù)，使得模型預(yù)測分布盡可能與實際數(shù)據(jù)經(jīng)驗分布一致（最大似然估計）。另外，還有一些針對優(yōu)化難點而設(shè)計的損失函數(shù)，如Huber Loss主要用于解決回歸問題中，存在奇點數(shù)據(jù)帶偏模型訓練的問題。Focal Loss主要解決分類問題中類別不均衡導致的模型訓偏問題。

2.3.7 選擇優(yōu)化算法

當我們機器 / 深度學習的學習目標是極大化降低（某個）損失函數(shù)，那么如何實現(xiàn)這個目標呢？通常機器學習模型的損失函數(shù)較復雜，很難直接求損失函數(shù)最小的公式解。幸運的是，我們可以通過優(yōu)化算法（如梯度下降、隨機梯度下降、Adam等）有限次迭代優(yōu)化模型參數(shù)，以盡可能降低損失函數(shù)的值，得到較優(yōu)的參數(shù)值。具體可見系列文章：一文概覽神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法

對于大多數(shù)任務(wù)而言，通常可以直接先試下Adam、SGD，然后可以繼續(xù)在具體任務(wù)上驗證不同優(yōu)化器效果。

2.3.8 模型訓練及超參數(shù)調(diào)試

• 劃分數(shù)據(jù)集

訓練模型前，常用的HoldOut驗證法（此外還有留一法、k折交叉驗證等方法），把數(shù)據(jù)集分為訓練集和測試集，并可再對訓練集進一步細分為訓練集和驗證集，以方便評估模型的性能。① 訓練集（training set）：用于運行學習算法，訓練模型。② 開發(fā)驗證集（development set）用于調(diào)整模型超參數(shù)、EarlyStopping、選擇特征等，以選擇出合適模型。③ 測試集（test set）只用于評估已選擇模型的性能，但不會據(jù)此改變學習算法或參數(shù)。

• 超參數(shù)調(diào)試

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的超參數(shù)是比較多的：數(shù)據(jù)方面超參數(shù) 如驗證集比例、batch size等；模型方面 如單層神經(jīng)元數(shù)、網(wǎng)絡(luò)深度、選擇激活函數(shù)類型、dropout率等；學習目標方面 如選擇損失函數(shù)類型，正則項懲罰系數(shù)等；優(yōu)化算法方面 如選擇梯度算法類型、初始學習率等。

常用的超參調(diào)試有人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)、網(wǎng)格搜索（grid search或for循環(huán)實現(xiàn)）、隨機搜索（random search）、貝葉斯優(yōu)化（bayesian optimization）等方法，方法介紹可見系列文章：一文歸納Ai調(diào)參煉丹之法。

另外，有像Keras Tuner分布式超參數(shù)調(diào)試框架(文檔見：keras.io/keras_tuner)，集成了常用調(diào)參方法，還比較實用的。

本節(jié)代碼

• 創(chuàng)建模型結(jié)構(gòu)
  結(jié)合當前房價預(yù)測任務(wù)是一個經(jīng)典簡單表格數(shù)據(jù)的回歸預(yù)測任務(wù)。我們采用基礎(chǔ)的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隱藏層的深度一兩層也就差不多。通過keras.Sequential方法來創(chuàng)建一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并在依次添加帶有批標準化的輸入層，一層帶有relu激活函數(shù)的k個神經(jīng)元的隱藏層，并對這層隱藏層添加dropout、L1、L2正則的功能。由于回歸預(yù)測數(shù)值實際范圍（5~50+）直接用線性輸出層，不需要加激活函數(shù)。

import?numpy?as?np
import??matplotlib.pyplot?as?plt
%matplotlib?inline
from?tensorflow?import?random
from?keras?import?regularizers
from?keras.layers?import?Dense,Dropout,BatchNormalization
from?keras.models?import?Sequential,?Model
from?keras.callbacks?import?EarlyStopping
from?sklearn.metrics?import??mean_squared_error

np.random.seed(1)?#?固定隨機種子，使每次運行結(jié)果固定
random.set_seed(1)


#?創(chuàng)建模型結(jié)構(gòu)：輸入層的特征維數(shù)為13；1層k個神經(jīng)元的relu隱藏層；線性的輸出層；

for?k?in?[5,20,50]:??#?網(wǎng)格搜索超參數(shù)：神經(jīng)元數(shù)k
????
????model?=?Sequential()

????model.add(BatchNormalization(input_dim=13))??#?輸入層?批標準化?

????model.add(Dense(k,??
????????????????????kernel_initializer='random_uniform',???#?均勻初始化
????????????????????activation='relu',?????????????????????#?relu激活函數(shù)
????????????????????kernel_regularizer=regularizers.l1_l2(l1=0.01,?l2=0.01),??#?L1及L2?正則項
????????????????????use_bias=True))???#?隱藏層

????model.add(Dropout(0.1))?#?dropout法

????model.add(Dense(1,use_bias=True))??#?輸出層
????

• 模型編譯
  設(shè)定學習目標為（最小化）回歸預(yù)測損失mse，優(yōu)化算法為adam

????model.compile(optimizer='adam',?loss='mse')?

• 模型訓練
  我們通過傳入訓練集x，訓練集標簽y，使用fit（擬合）方法來訓練模型，其中epochs為迭代次數(shù)，并通過EarlyStopping及時停止在合適的epoch，減少過擬合；batch_size為每次epoch隨機采樣的訓練樣本數(shù)目。

#?訓練模型
????history?=?model.fit(train_x,?
????????????????????????train_y,?
????????????????????????epochs=500,??????????????#?訓練迭代次數(shù)
????????????????????????batch_size=50,???????????#?每epoch采樣的batch大小
????????????????????????validation_split=0.1,???#?從訓練集再拆分驗證集，作為早停的衡量指標
????????????????????????callbacks=[EarlyStopping(monitor='val_loss',?patience=20)],????#早停法
????????????????????????verbose=False)??#?不輸出過程??

????
????print("驗證集最優(yōu)結(jié)果：",min(history.history['val_loss']))
????model.summary()???#打印模型概述信息
????#?模型評估：擬合效果
????plt.plot(history.history['loss'],c='blue')????#?藍色線訓練集損失
????plt.plot(history.history['val_loss'],c='red')?#?紅色線驗證集損失
????plt.show()

最后，這里簡單采用for循環(huán)，實現(xiàn)類似網(wǎng)格搜索調(diào)整超參數(shù)，驗證了隱藏層的不同神經(jīng)元數(shù)目（超參數(shù)k）的效果。由驗證結(jié)果來看，神經(jīng)元數(shù)目為50時，損失可以達到10的較優(yōu)效果（可以繼續(xù)嘗試模型增加深度、寬度，達到過擬合的邊界應(yīng)該有更好的效果）。

注：本節(jié)使用的優(yōu)化方法較多（炫技ing），單純是為展示一遍各種深度學習的優(yōu)化tricks。模型并不是優(yōu)化方法越多越好，效果還是要實際問題具體驗證。

2.4 模型評估及優(yōu)化

機器學習學習的目標是極大化降低損失函數(shù)，但這不僅僅是學習過程中對訓練數(shù)據(jù)有良好的預(yù)測能力（極低的訓練損失），根本上還在于要對新數(shù)據(jù)（測試集）能有很好的預(yù)測能力（泛化能力）。

• 評估模型誤差的指標

評估模型的預(yù)測誤差常用損失函數(shù)的大小來判斷，如回歸預(yù)測的均方損失。但除此之外，對于一些任務(wù)，用損失函數(shù)作為評估指標并不直觀，所以像分類任務(wù)的評估還常用f1-score，可以直接展現(xiàn)各種類別正確分類情況。

查準率P：是指分類器預(yù)測為Positive的正確樣本（TP）的個數(shù)占所有預(yù)測為Positive樣本個數(shù)（TP+FP）的比例；查全率R：是指分類器預(yù)測為Positive的正確樣本（TP）的個數(shù)占所有的實際為Positive樣本個數(shù)（TP+FN）的比例。F1-score是查準率P、查全率R的調(diào)和平均：

注：如分類任務(wù)的f1-score等指標只能用于評估模型最終效果，因為作為學習目標時它們無法被高效地優(yōu)化，訓練優(yōu)化時常用交叉熵作為其替代的分類損失函數(shù) (surrogate loss function)。

• 評估擬合效果

評估模型擬合（學習）效果，常用欠擬合、擬合良好、過擬合來表述，通常，擬合良好的模型有更好泛化能力，在未知數(shù)據(jù)（測試集）有更好的效果。

我們可以通過訓練誤差及驗證集誤差評估模型的擬合程度。從整體訓練過程來看，欠擬合時訓練誤差和驗證集誤差均較高，隨著訓練時間及模型復雜度的增加而下降。在到達一個擬合最優(yōu)的臨界點之后，訓練誤差下降，驗證集誤差上升，這個時候模型就進入了過擬合區(qū)域。

• 優(yōu)化擬合效果的方法

實踐中通常欠擬合不是問題，可以通過使用強特征及較復雜的模型提高學習的準確度。而解決過擬合，即如何減少泛化誤差，提高泛化能力，通常才是優(yōu)化模型效果的重點，常用的方法在于提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)量以及采用適當?shù)恼齽t化策略。具體可見系列文章：一文深層解決模型過擬合

本節(jié)代碼

#?模型評估：擬合效果
import??matplotlib.pyplot?as?plt

plt.plot(history.history['loss'],c='blue')????#?藍色線訓練集損失
plt.plot(history.history['val_loss'],c='red')?#?紅色線驗證集損失

從訓練集及驗證集的損失來看，訓練集、驗證集損失都比較低，模型沒有過擬合現(xiàn)象。

#?模型評估：測試集預(yù)測結(jié)果
pred_y?=?model.predict(test_x)[:,0]

print("正確標簽：",test_y)
print("模型預(yù)測：",pred_y?)

print("實際與預(yù)測值的差異：",mean_squared_error(test_y,pred_y?))

#繪圖表示
import?matplotlib.pyplot?as?plt

plt.rcParams['font.sans-serif']?=?['SimHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus']?=?False

#?設(shè)置圖形大小
plt.figure(figsize=(8,?4),?dpi=80)
plt.plot(range(len(test_y)),?test_y,?ls='-.',lw=2,c='r',label='真實值')
plt.plot(range(len(pred_y)),?pred_y,?ls='-',lw=2,c='b',label='預(yù)測值')

#?繪制網(wǎng)格
plt.grid(alpha=0.4,?linestyle=':')
plt.legend()
plt.xlabel('number')?#設(shè)置x軸的標簽文本
plt.ylabel('房價')?#設(shè)置y軸的標簽文本

#?展示
plt.show()

評估測試集的預(yù)測結(jié)果，其mse損失為19.7，觀察測試集的實際值與預(yù)測值兩者的數(shù)值曲線是比較一致的！模型預(yù)測效果較好。

2.5 模型預(yù)測結(jié)果及解釋性

決策應(yīng)用是機器學習最終目的，對模型預(yù)測信息加以分析解釋，并應(yīng)用于實際的工作領(lǐng)域。

對于實際工作需要注意的是，工程上是結(jié)果導向，模型在線上運行的效果直接決定模型的成敗，不僅僅包括其準確程度、誤差等情況，還包括其運行的速度（時間復雜度）、資源消耗程度（空間復雜度）、穩(wěn)定性的綜合考慮。

對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的分析解釋，我們有時需要知道學習的內(nèi)容，決策的過程是怎么樣的（模型的可解釋性）。具體可見系列文章：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習到的是什么？一個可以解釋的AI模型（Explainable AI, 簡稱XAI）意味著運作的透明，便于人類對于對AI決策的監(jiān)督及接納，以保證算法的公平性、安全性及隱私性，從而創(chuàng)造更加安全可靠的應(yīng)用。深度學習可解釋性常用方法有：LIME、LRP、SHAP等方法。

本節(jié)代碼

如下通過SHAP方法，對模型預(yù)測單個樣本的結(jié)果做出解釋，可見在這個樣本的預(yù)測中，CRIM犯罪率為0.006、RM平均房間數(shù)為6.575對于房價是負相關(guān)的。LSTAT弱勢群體人口所占比例為4.98對于房價的貢獻是正相關(guān)的...，在綜合這些因素后模型給出最終預(yù)測值。

import?shap?
import?tensorflow?as?tf??#?tf版本<2.0

#?模型解釋性
background?=?test_x[np.random.choice(test_x.shape[0],100,?replace=False)]
explainer?=?shap.DeepExplainer(model,background)
shap_values?=?explainer.shap_values(test_x)??#?傳入特征矩陣X，計算SHAP值
#?可視化第一個樣本預(yù)測的解釋??
shap.force_plot(explainer.expected_value,?shap_values[0,:],?test_x.iloc[0,:])