常用Python數(shù)據(jù)科學(xué)庫(附代碼)
來源：pythonic生物人? 本文約7800字，建議閱讀10+分鐘 本文分享常用Python數(shù)據(jù)科學(xué)庫實(shí)戰(zhàn)代碼。
為了大家能夠?qū)θ斯ぶ悄艹Ｓ玫?Python 庫有一個(gè)初步的了解，以選擇能夠滿足自己需求的庫進(jìn)行學(xué)習(xí)，對目前較為常見的人工智能庫進(jìn)行簡要全面的介紹。
NumPy(Numerical Python)是 Python的一個(gè)擴(kuò)展程序庫，支持大量的維度數(shù)組與矩陣運(yùn)算，此外也針對數(shù)組運(yùn)算提供大量的數(shù)學(xué)函數(shù)庫，Numpy底層使用C語言編寫，數(shù)組中直接存儲(chǔ)對象，而不是存儲(chǔ)對象指針，所以其運(yùn)算效率遠(yuǎn)高于純Python代碼。我們可以在示例中對比下純Python與使用Numpy庫在計(jì)算列表sin值的速度對比：
import numpy as npimport mathimport randomimport time
start = time.time()for i in range(10):list_1 = list(range(1,10000))for j in range(len(list_1)):list_1[j] = math.sin(list_1[j])print("使用純Python用時(shí){}s".format(time.time()-start))
start = time.time()for i in range(10):list_1 = np.array(np.arange(1,10000))list_1 = np.sin(list_1)print("使用Numpy用時(shí){}s".format(time.time()-start))
從如下運(yùn)行結(jié)果，可以看到使用 Numpy 庫的速度快于純 Python 編寫的代碼：
使用純Python用時(shí)0.017444372177124023s使用Numpy用時(shí)0.001619577407836914s
2、OpenCV
OpenCV 是一個(gè)的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫，可以運(yùn)行在 Linux、Windows 和 Mac OS 操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效——由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時(shí)也提供了 Python 接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法。下面代碼嘗試使用一些簡單的濾鏡，包括圖片的平滑處理、高斯模糊等：?
import numpy as npimport cv2 as cvfrom matplotlib import pyplot as pltimg = cv.imread('h89817032p0.png')kernel = np.ones((5,5),np.float32)/25dst = cv.filter2D(img,-1,kernel)blur_1 = cv.GaussianBlur(img,(5,5),0)blur_2 = cv.bilateralFilter(img,9,75,75)plt.figure(figsize=(10,10))plt.subplot(221),plt.imshow(img[:,:,::-1]),plt.title('Original')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.subplot(222),plt.imshow(dst[:,:,::-1]),plt.title('Averaging')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.subplot(223),plt.imshow(blur_1[:,:,::-1]),plt.title('Gaussian')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.subplot(224),plt.imshow(blur_1[:,:,::-1]),plt.title('Bilateral')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.show()
OpenCV
3、Scikit-image
scikit-image是基于scipy的圖像處理庫，它將圖片作為numpy數(shù)組進(jìn)行處理。例如，可以利用scikit-image改變圖片比例，scikit-image提供了rescale、resize以及downscale_local_mean等函數(shù)。
from skimage import data, color, iofrom skimage.transform import rescale, resize, downscale_local_mean
image = color.rgb2gray(io.imread('h89817032p0.png'))
image_rescaled = rescale(image, 0.25, anti_aliasing=False)image_resized = resize(image, (image.shape[0] // 4, image.shape[1] // 4),anti_aliasing=True)image_downscaled = downscale_local_mean(image, (4, 3))plt.figure(figsize=(20,20))plt.subplot(221),plt.imshow(image, cmap='gray'),plt.title('Original')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.subplot(222),plt.imshow(image_rescaled, cmap='gray'),plt.title('Rescaled')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.subplot(223),plt.imshow(image_resized, cmap='gray'),plt.title('Resized')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.subplot(224),plt.imshow(image_downscaled, cmap='gray'),plt.title('Downscaled')plt.xticks([]), plt.yticks([])plt.show()
Scikit-image
4、PIL
Python Imaging Library(PIL) 已經(jīng)成為 Python 事實(shí)上的圖像處理標(biāo)準(zhǔn)庫了，這是由于，PIL 功能非常強(qiáng)大，但API卻非常簡單易用。但是由于PIL僅支持到 Python 2.7，再加上年久失修，于是一群志愿者在 PIL 的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了兼容的版本，名字叫 Pillow，支持最新 Python 3.x，又加入了許多新特性，因此，我們可以跳過 PIL，直接安裝使用 Pillow。
5、Pillow
使用 Pillow 生成字母驗(yàn)證碼圖片：
from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont, ImageFilter
import random
# 隨機(jī)字母:def rndChar():return chr(random.randint(65, 90))
# 隨機(jī)顏色1:def rndColor():return (random.randint(64, 255), random.randint(64, 255), random.randint(64, 255))
# 隨機(jī)顏色2:def rndColor2():return (random.randint(32, 127), random.randint(32, 127), random.randint(32, 127))
# 240 x 60:width = 60 * 6height = 60 * 6image = Image.new('RGB', (width, height), (255, 255, 255))# 創(chuàng)建Font對象:font = ImageFont.truetype('/usr/share/fonts/wps-office/simhei.ttf', 60)# 創(chuàng)建Draw對象:draw = ImageDraw.Draw(image)# 填充每個(gè)像素:for x in range(width):for y in range(height):draw.point((x, y), fill=rndColor())# 輸出文字:for t in range(6):draw.text((60 * t + 10, 150), rndChar(), font=font, fill=rndColor2())# 模糊:image = image.filter(ImageFilter.BLUR)image.save('code.jpg', 'jpeg')
驗(yàn)證碼 6、SimpleCV
SimpleCV 是一個(gè)用于構(gòu)建計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用程序的開源框架。使用它，可以訪問高性能的計(jì)算機(jī)視覺庫，如 OpenCV，而不必首先了解位深度、文件格式、顏色空間、緩沖區(qū)管理、特征值或矩陣等術(shù)語。但其對于 Python3 的支持很差很差，在 Python3.7 中使用如下代碼：
from SimpleCV import Image, Color, Display# load an image from imgurimg = Image('http://i.imgur.com/lfAeZ4n.png')# use a keypoint detector to find areas of interestfeats = img.findKeypoints()# draw the list of keypointsfeats.draw(color=Color.RED)# show the resulting image.img.show()# apply the stuff we found to the image.output = img.applyLayers()# save the results.output.save('juniperfeats.png')
會(huì)報(bào)如下錯(cuò)誤，因此不建議在 Python3 中使用：
SyntaxError: Missing parentheses in call to 'print'. Did you mean print('unit test')?
7、Mahotas
Mahotas 是一個(gè)快速計(jì)算機(jī)視覺算法庫，其構(gòu)建在 Numpy 之上，目前擁有超過100種圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺功能，并在不斷增長。使用 Mahotas 加載圖像，并對像素進(jìn)行操作：
import numpy as npimport mahotasimport mahotas.demos
from mahotas.thresholding import soft_thresholdfrom matplotlib import pyplot as pltfrom os import pathf = mahotas.demos.load('lena', as_grey=True)f = f[128:,128:]plt.gray()# Show the data:print("Fraction of zeros in original image: {0}".format(np.mean(f==0)))plt.imshow(f)plt.show()
Mahotas 8、Ilastik
Ilastik 能夠給用戶提供良好的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的生物信息圖像分析服務(wù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，輕松地分割，分類，跟蹤和計(jì)數(shù)細(xì)胞或其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。大多數(shù)操作都是交互式的，并不需要機(jī)器學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)。
9、Scikit-Learn
Scikit-learn 是針對 Python 編程語言的免費(fèi)軟件機(jī)器學(xué)習(xí)庫。它具有各種分類，回歸和聚類算法，包括支持向量機(jī)，隨機(jī)森林，梯度提升，k均值和 DBSCAN 等多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法。使用Scikit-learn實(shí)現(xiàn)KMeans算法：
import time
import numpy as npimport matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import MiniBatchKMeans, KMeansfrom sklearn.metrics.pairwise import pairwise_distances_argminfrom sklearn.datasets import make_blobs
# Generate sample datanp.random.seed(0)
batch_size = 45centers = [[1, 1], [-1, -1], [1, -1]]n_clusters = len(centers)X, labels_true = make_blobs(n_samples=3000, centers=centers, cluster_std=0.7)
# Compute clustering with Means
k_means = KMeans(init='k-means++', n_clusters=3, n_init=10)t0 = time.time()k_means.fit(X)t_batch = time.time() - t0
# Compute clustering with MiniBatchKMeans
mbk = MiniBatchKMeans(init='k-means++', n_clusters=3, batch_size=batch_size,n_init=10, max_no_improvement=10, verbose=0)t0 = time.time()mbk.fit(X)t_mini_batch = time.time() - t0
# Plot resultfig = plt.figure(figsize=(8, 3))fig.subplots_adjust(left=0.02, right=0.98, bottom=0.05, top=0.9)colors = ['#4EACC5', '#FF9C34', '#4E9A06']
# We want to have the same colors for the same cluster from the# MiniBatchKMeans and the KMeans algorithm. Let's pair the cluster centers per# closest one.k_means_cluster_centers = k_means.cluster_centers_order = pairwise_distances_argmin(k_means.cluster_centers_,mbk.cluster_centers_)mbk_means_cluster_centers = mbk.cluster_centers_[order]
k_means_labels = pairwise_distances_argmin(X, k_means_cluster_centers)mbk_means_labels = pairwise_distances_argmin(X, mbk_means_cluster_centers)
# KMeansfor k, col in zip(range(n_clusters), colors):my_members = k_means_labels == kcluster_center = k_means_cluster_centers[k]plt.plot(X[my_members, 0], X[my_members, 1], 'w',markerfacecolor=col, marker='.')plt.plot(cluster_center[0], cluster_center[1], 'o', markerfacecolor=col,markeredgecolor='k', markersize=6)plt.title('KMeans')plt.xticks(())plt.yticks(())
plt.show()
10、SciPy
SciPy 庫提供了許多用戶友好和高效的數(shù)值計(jì)算，如數(shù)值積分、插值、優(yōu)化、線性代數(shù)等。SciPy 庫定義了許多數(shù)學(xué)物理的特殊函數(shù)，包括橢圓函數(shù)、貝塞爾函數(shù)、伽馬函數(shù)、貝塔函數(shù)、超幾何函數(shù)、拋物線圓柱函數(shù)等等。
from scipy import specialimport matplotlib.pyplot as pltimport numpy as np
def drumhead_height(n, k, distance, angle, t):kth_zero = special.jn_zeros(n, k)[-1]return np.cos(t) * np.cos(n*angle) * special.jn(n, distance*kth_zero)
theta = np.r_[0:2*np.pi:50j]radius = np.r_[0:1:50j]x = np.array([r * np.cos(theta) for r in radius])y = np.array([r * np.sin(theta) for r in radius])z = np.array([drumhead_height(1, 1, r, theta, 0.5) for r in radius])
fig = plt.figure()ax = fig.add_axes(rect=(0, 0.05, 0.95, 0.95), projection='3d')ax.plot_surface(x, y, z, rstride=1, cstride=1, cmap='RdBu_r', vmin=-0.5, vmax=0.5)ax.set_xlabel('X')ax.set_ylabel('Y')ax.set_xticks(np.arange(-1, 1.1, 0.5))ax.set_yticks(np.arange(-1, 1.1, 0.5))ax.set_zlabel('Z')plt.show()
SciPy 11、NLTK
NLTK 是構(gòu)建Python程序以處理自然語言的庫。它為50多個(gè)語料庫和詞匯資源(如 WordNet )提供了易于使用的接口，以及一套用于分類、分詞、詞干、標(biāo)記、解析和語義推理的文本處理庫、工業(yè)級自然語言處理 (Natural Language Processing, NLP) 庫的包裝器。NLTK被稱為 “a wonderful tool for teaching, and working in, computational linguistics using Python”。
import nltkfrom nltk.corpus import treebank
# 首次使用需要下載nltk.download('punkt')nltk.download('averaged_perceptron_tagger')nltk.download('maxent_ne_chunker')nltk.download('words')nltk.download('treebank')
sentence = """At eight o'clock on Thursday morning Arthur didn't feel very good."""# Tokenizetokens = nltk.word_tokenize(sentence)tagged = nltk.pos_tag(tokens)
# Identify named entitiesentities = nltk.chunk.ne_chunk(tagged)
# Display a parse treet = treebank.parsed_sents('wsj_0001.mrg')[0]t.draw()
NLTK12、spaCy
spaCy 是一個(gè)免費(fèi)的開源庫，用于 Python 中的高級 NLP。它可以用于構(gòu)建處理大量文本的應(yīng)用程序；也可以用來構(gòu)建信息提取或自然語言理解系統(tǒng)，或者對文本進(jìn)行預(yù)處理以進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。
import spacy
texts = ["Net income was $9.4 million compared to the prior year of $2.7 million.","Revenue exceeded twelve billion dollars, with a loss of $1b.",]
nlp = spacy.load("en_core_web_sm")for doc in nlp.pipe(texts, disable=["tok2vec", "tagger", "parser", "attribute_ruler", "lemmatizer"]):# Do something with the doc hereprint([(ent.text, ent.label_) for ent in doc.ents])
nlp.pipe 生成 Doc 對象，因此我們可以對它們進(jìn)行迭代并訪問命名實(shí)體預(yù)測：[('$9.4 million', 'MONEY'), ('the prior year', 'DATE'), ('$2.7 million', 'MONEY')][('twelve billion dollars', 'MONEY'), ('1b', 'MONEY')]
13、LibROSA
librosa 是一個(gè)用于音樂和音頻分析的 Python 庫，它提供了創(chuàng)建音樂信息檢索系統(tǒng)所必需的功能和函數(shù)。
# Beat tracking exampleimport librosa
# 1. Get the file path to an included audio examplefilename = librosa.example('nutcracker')
# 2. Load the audio as a waveform `y`# Store the sampling rate as `sr`y, sr = librosa.load(filename)
# 3. Run the default beat trackertempo, beat_frames = librosa.beat.beat_track(y=y, sr=sr)print('Estimated tempo: {:.2f} beats per minute'.format(tempo))
# 4. Convert the frame indices of beat events into timestampsbeat_times = librosa.frames_to_time(beat_frames, sr=sr)
14、Pandas
Pandas 是一個(gè)快速、強(qiáng)大、靈活且易于使用的開源數(shù)據(jù)分析和操作工具， Pandas 可以從各種文件格式比如 CSV、JSON、SQL、Microsoft Excel 導(dǎo)入數(shù)據(jù)，可以對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算操作，比如歸并、再成形、選擇，還有數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)加工特征。Pandas 廣泛應(yīng)用在學(xué)術(shù)、金融、統(tǒng)計(jì)學(xué)等各個(gè)數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域。
import matplotlib.pyplot as pltimport pandas as pdimport numpy as np
ts = pd.Series(np.random.randn(1000), index=pd.date_range("1/1/2000", periods=1000))ts = ts.cumsum()
df = pd.DataFrame(np.random.randn(1000, 4), index=ts.index, columns=list("ABCD"))df = df.cumsum()df.plot()plt.show()
Pandas 15、Matplotlib
Matplotlib 是Python的繪圖庫，它提供了一整套和 matlab 相似的命令 API，可以生成出版質(zhì)量級別的精美圖形，Matplotlib 使繪圖變得非常簡單，在易用性和性能間取得了優(yōu)異的平衡。使用 Matplotlib 繪制多曲線圖：
# plot_multi_curve.pyimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltx = np.linspace(0.1, 2 * np.pi, 100)y_1 = xy_2 = np.square(x)y_3 = np.log(x)y_4 = np.sin(x)plt.plot(x,y_1)plt.plot(x,y_2)plt.plot(x,y_3)plt.plot(x,y_4)plt.show()
Matplotlib 16、Seaborn
Seaborn 是在 Matplotlib 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更高級的API封裝的Python數(shù)據(jù)可視化庫，從而使得作圖更加容易，應(yīng)該把 Seaborn 視為 Matplotlib 的補(bǔ)充，而不是替代物。
import seaborn as snsimport matplotlib.pyplot as pltsns.set_theme(style="ticks")
df = sns.load_dataset("penguins")sns.pairplot(df, hue="species")plt.show()
seaborn 17、Orange
Orange 是一個(gè)開源的數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，提供了一系列的數(shù)據(jù)探索、可視化、預(yù)處理以及建模組件。Orange 擁有漂亮直觀的交互式用戶界面，非常適合新手進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析和可視化展示；同時(shí)高級用戶也可以將其作為 Python 的一個(gè)編程模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)操作和組件開發(fā)。使用 pip 即可安裝 Orange，好評～
pip install orange3
安裝完成后，在命令行輸入 orange-canvas 命令即可啟動(dòng) Orange 圖形界面：
orange-canvas
啟動(dòng)完成后，即可看到 Orange 圖形界面，進(jìn)行各種操作。
Orange 18、PyBrain
PyBrain 是 Python 的模塊化機(jī)器學(xué)習(xí)庫。它的目標(biāo)是為機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)和各種預(yù)定義的環(huán)境提供靈活、易于使用且強(qiáng)大的算法來測試和比較算法。PyBrain 是 Python-Based Reinforcement Learning, Artificial Intelligence and Neural Network Library 的縮寫。我們將利用一個(gè)簡單的例子來展示 PyBrain 的用法，構(gòu)建一個(gè)多層感知器 (Multi Layer Perceptron, MLP)。首先，我們創(chuàng)建一個(gè)新的前饋網(wǎng)絡(luò)對象：
from pybrain.structure import FeedForwardNetworkn = FeedForwardNetwork()
? 接下來，構(gòu)建輸入、隱藏和輸出層：
from pybrain.structure import LinearLayer, SigmoidLayer
inLayer = LinearLayer(2)hiddenLayer = SigmoidLayer(3)outLayer = LinearLayer(1)
為了使用所構(gòu)建的層，必須將它們添加到網(wǎng)絡(luò)中：
n.addInputModule(inLayer)n.addModule(hiddenLayer)n.addOutputModule(outLayer)
可以添加多個(gè)輸入和輸出模塊。為了向前計(jì)算和反向誤差傳播，網(wǎng)絡(luò)必須知道哪些層是輸入、哪些層是輸出。這就需要明確確定它們應(yīng)該如何連接。為此，我們使用最常見的連接類型，全連接層，由 FullConnection 類實(shí)現(xiàn)：
from pybrain.structure import FullConnectionin_to_hidden = FullConnection(inLayer, hiddenLayer)hidden_to_out = FullConnection(hiddenLayer, outLayer)
與層一樣，我們必須明確地將它們添加到網(wǎng)絡(luò)中：
n.addConnection(in_to_hidden)n.addConnection(hidden_to_out)
所有元素現(xiàn)在都已準(zhǔn)備就位，最后，我們需要調(diào)用.sortModules()方法使MLP可用：
n.sortModules()
這個(gè)調(diào)用會(huì)執(zhí)行一些內(nèi)部初始化，這在使用網(wǎng)絡(luò)之前是必要的。
19、Milk
MILK(MACHINE LEARNING TOOLKIT) 是 Python 語言的機(jī)器學(xué)習(xí)工具包。它主要是包含許多分類器比如 SVMS、K-NN、隨機(jī)森林以及決策樹中使用監(jiān)督分類法，它還可執(zhí)行特征選擇，可以形成不同的例如無監(jiān)督學(xué)習(xí)、密切關(guān)系傳播和由 MILK 支持的 K-means 聚類等分類系統(tǒng)。使用 MILK 訓(xùn)練一個(gè)分類器：
import numpy as npimport milkfeatures = np.random.rand(100,10)labels = np.zeros(100)features[50:] += .5labels[50:] = 1learner = milk.defaultclassifier()model = learner.train(features, labels)
# Now you can use the model on new examples:example = np.random.rand(10)print(model.apply(example))example2 = np.random.rand(10)example2 += .5print(model.apply(example2))
20、TensorFlow
TensorFlow 是一個(gè)端到端開源機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)。它擁有一個(gè)全面而靈活的生態(tài)系統(tǒng)，一般可以將其分為 TensorFlow1.x 和 TensorFlow2.x，TensorFlow1.x 與 TensorFlow2.x 的主要區(qū)別在于 TF1.x 使用靜態(tài)圖而 TF2.x 使用Eager Mode動(dòng)態(tài)圖。這里主要使用TensorFlow2.x作為示例，展示在 TensorFlow2.x 中構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Convolutional Neural Network, CNN)。
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import datasets, layers, models
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.cifar10.load_data()
train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0
model = models.Sequential()model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(32, 32, 3)))model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))model.add(layers.Flatten())model.add(layers.Dense(64, activation='relu'))model.add(layers.Dense(10))
model.compile(optimizer='adam',loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),metrics=['accuracy'])history = model.fit(train_images, train_labels, epochs=10,validation_data=(test_images, test_labels))
21、PyTorch
PyTorch 的前身是 Torch，其底層和 Torch 框架一樣，但是使用 Python 重新寫了很多內(nèi)容，不僅更加靈活，支持動(dòng)態(tài)圖，而且提供了 Python 接口。
# 導(dǎo)入庫import torchfrom torch import nnfrom torch.utils.data import DataLoaderfrom torchvision import datasetsfrom torchvision.transforms import ToTensor, Lambda, Composeimport matplotlib.pyplot as plt
# 模型構(gòu)建device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"print("Using {} device".format(device))
# Define modelclass NeuralNetwork(nn.Module):def __init__(self):super(NeuralNetwork, self).__init__()self.flatten = nn.Flatten()self.linear_relu_stack = nn.Sequential(nn.Linear(28*28, 512),nn.ReLU(),nn.Linear(512, 512),nn.ReLU(),nn.Linear(512, 10),nn.ReLU())
def forward(self, x):x = self.flatten(x)logits = self.linear_relu_stack(x)return logits
model = NeuralNetwork().to(device)
# 損失函數(shù)和優(yōu)化器loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3)
# 模型訓(xùn)練def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):size = len(dataloader.dataset)for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):X, y = X.to(device), y.to(device)
# Compute prediction errorpred = model(X)loss = loss_fn(pred, y)
# Backpropagationoptimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()
if batch % 100 == 0:loss, current = loss.item(), batch * len(X)print(f"loss: {loss:>7f} [{current:>5d}/{size:>5d}]")
22、Theano
Theano 是一個(gè) Python 庫，它允許定義、優(yōu)化和有效地計(jì)算涉及多維數(shù)組的數(shù)學(xué)表達(dá)式，建在 NumPy 之上。在 Theano 中實(shí)現(xiàn)計(jì)算雅可比矩陣：
import theanoimport theano.tensor as Tx = T.dvector('x')y = x ** 2J, updates = theano.scan(lambda i, y,x : T.grad(y[i], x), sequences=T.arange(y.shape[0]), non_sequences=[y,x])f = theano.function([x], J, updates=updates)f([4, 4])
23、Keras
Keras 是一個(gè)用 Python 編寫的高級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) API，它能夠以 TensorFlow, CNTK, 或者 Theano 作為后端運(yùn)行。Keras 的開發(fā)重點(diǎn)是支持快速的實(shí)驗(yàn)，能夠以最小的時(shí)延把想法轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
from keras.models import Sequentialfrom keras.layers import Dense
model = Sequential()model.add(Dense(units=64, activation='relu', input_dim=100))model.add(Dense(units=10, activation='softmax'))
model.compile(loss='categorical_crossentropy',optimizer='sgd',metrics=['accuracy'])model.fit(x_train, y_train, epochs=5, batch_size=32)
24、Caffe
在 Caffe2 官方網(wǎng)站上，這樣說道：Caffe2 現(xiàn)在是 PyTorch 的一部分。雖然這些 api 將繼續(xù)工作，但鼓勵(lì)使用 PyTorch api。
25、MXNet
MXNet 是一款設(shè)計(jì)為效率和靈活性的深度學(xué)習(xí)框架。它允許混合符號編程和命令式編程，從而最大限度提高效率和生產(chǎn)力。使用 MXNet 構(gòu)建手寫數(shù)字識(shí)別模型：
import mxnet as mxfrom mxnet import gluonfrom mxnet.gluon import nnfrom mxnet import autograd as agimport mxnet.ndarray as F
# 數(shù)據(jù)加載mnist = mx.test_utils.get_mnist()batch_size = 100train_data = mx.io.NDArrayIter(mnist['train_data'], mnist['train_label'], batch_size, shuffle=True)val_data = mx.io.NDArrayIter(mnist['test_data'], mnist['test_label'], batch_size)
# CNN模型class Net(gluon.Block):def __init__(self, **kwargs):super(Net, self).__init__(**kwargs)self.conv1 = nn.Conv2D(20, kernel_size=(5,5))self.pool1 = nn.MaxPool2D(pool_size=(2,2), strides = (2,2))self.conv2 = nn.Conv2D(50, kernel_size=(5,5))self.pool2 = nn.MaxPool2D(pool_size=(2,2), strides = (2,2))self.fc1 = nn.Dense(500)self.fc2 = nn.Dense(10)
def forward(self, x):x = self.pool1(F.tanh(self.conv1(x)))x = self.pool2(F.tanh(self.conv2(x)))# 0 means copy over size from corresponding dimension.# -1 means infer size from the rest of dimensions.x = x.reshape((0, -1))x = F.tanh(self.fc1(x))x = F.tanh(self.fc2(x))return xnet = Net()# 初始化與優(yōu)化器定義# set the context on GPU is available otherwise CPUctx = [mx.gpu() if mx.test_utils.list_gpus() else mx.cpu()]net.initialize(mx.init.Xavier(magnitude=2.24), ctx=ctx)trainer = gluon.Trainer(net.collect_params(), 'sgd', {'learning_rate': 0.03})
# 模型訓(xùn)練# Use Accuracy as the evaluation metric.metric = mx.metric.Accuracy()softmax_cross_entropy_loss = gluon.loss.SoftmaxCrossEntropyLoss()
for i in range(epoch):# Reset the train data iterator.train_data.reset()for batch in train_data:data = gluon.utils.split_and_load(batch.data[0], ctx_list=ctx, batch_axis=0)label = gluon.utils.split_and_load(batch.label[0], ctx_list=ctx, batch_axis=0)outputs = []# Inside training scopewith ag.record():for x, y in zip(data, label):z = net(x)# Computes softmax cross entropy loss.loss = softmax_cross_entropy_loss(z, y)# Backpropogate the error for one iteration.loss.backward()outputs.append(z)metric.update(label, outputs)trainer.step(batch.data[0].shape[0])# Gets the evaluation result.name, acc = metric.get()# Reset evaluation result to initial state.metric.reset()print('training acc at epoch %d: %s=%f'%(i, name, acc))
26、PaddlePaddle
飛槳 (PaddlePaddle) 以百度多年的深度學(xué)習(xí)技術(shù)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，集深度學(xué)習(xí)核心訓(xùn)練和推理框架、基礎(chǔ)模型庫、端到端開發(fā)套件、豐富的工具組件于一體。是中國首個(gè)自主研發(fā)、功能完備、開源開放的產(chǎn)業(yè)級深度學(xué)習(xí)平臺(tái)。使用 PaddlePaddle 實(shí)現(xiàn) LeNtet5：
# 導(dǎo)入需要的包import paddleimport numpy as npfrom paddle.nn import Conv2D, MaxPool2D, Linear
## 組網(wǎng)import paddle.nn.functional as F
# 定義 LeNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)class LeNet(paddle.nn.Layer):def __init__(self, num_classes=1):super(LeNet, self).__init__()# 創(chuàng)建卷積和池化層# 創(chuàng)建第1個(gè)卷積層self.conv1 = Conv2D(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5)self.max_pool1 = MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2)# 尺寸的邏輯：池化層未改變通道數(shù)；當(dāng)前通道數(shù)為6# 創(chuàng)建第2個(gè)卷積層self.conv2 = Conv2D(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5)self.max_pool2 = MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2)# 創(chuàng)建第3個(gè)卷積層self.conv3 = Conv2D(in_channels=16, out_channels=120, kernel_size=4)# 尺寸的邏輯：輸入層將數(shù)據(jù)拉平[B,C,H,W] -> [B,C*H*W]# 輸入size是[28,28]，經(jīng)過三次卷積和兩次池化之后，C*H*W等于120self.fc1 = Linear(in_features=120, out_features=64)# 創(chuàng)建全連接層，第一個(gè)全連接層的輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)為64， 第二個(gè)全連接層輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)為分類標(biāo)簽的類別數(shù)self.fc2 = Linear(in_features=64, out_features=num_classes)# 網(wǎng)絡(luò)的前向計(jì)算過程def forward(self, x):x = self.conv1(x)# 每個(gè)卷積層使用Sigmoid激活函數(shù)，后面跟著一個(gè)2x2的池化x = F.sigmoid(x)x = self.max_pool1(x)x = F.sigmoid(x)x = self.conv2(x)x = self.max_pool2(x)x = self.conv3(x)# 尺寸的邏輯：輸入層將數(shù)據(jù)拉平[B,C,H,W] -> [B,C*H*W]x = paddle.reshape(x, [x.shape[0], -1])x = self.fc1(x)x = F.sigmoid(x)x = self.fc2(x)return x
27、CNTK
CNTK(Cognitive Toolkit) 是一個(gè)深度學(xué)習(xí)工具包，通過有向圖將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述為一系列計(jì)算步驟。在這個(gè)有向圖中，葉節(jié)點(diǎn)表示輸入值或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，而其他節(jié)點(diǎn)表示對其輸入的矩陣運(yùn)算。CNTK 可以輕松地實(shí)現(xiàn)和組合流行的模型類型，如 CNN 等。CNTK 用網(wǎng)絡(luò)描述語言 (network description language, NDL) 描述一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。簡單的說，要描述輸入的 feature，輸入的 label，一些參數(shù)，參數(shù)和輸入之間的計(jì)算關(guān)系，以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是什么。
NDLNetworkBuilder=[
run=ndlLR
ndlLR=[# sample and label dimensionsSDim=$dimension$LDim=1
features=Input(SDim, 1)labels=Input(LDim, 1)
# parameters to learnB0 = Parameter(4)W0 = Parameter(4, SDim)
B = Parameter(LDim)W = Parameter(LDim, 4)
# operationst0 = Times(W0, features)z0 = Plus(t0, B0)s0 = Sigmoid(z0)
t = Times(W, s0)z = Plus(t, B)s = Sigmoid(z)
LR = Logistic(labels, s)EP = SquareError(labels, s)
# root nodesFeatureNodes=(features)LabelNodes=(labels)CriteriaNodes=(LR)EvalNodes=(EP)OutputNodes=(s,t,z,s0,W0)
?
編輯：黃繼彥
機(jī)器學(xué)習(xí)算法與Python實(shí)戰(zhàn)P7：概率論基礎(chǔ)（下）
機(jī)器學(xué)習(xí)算法與Python實(shí)戰(zhàn)P8：統(tǒng)計(jì)學(xué)
機(jī)器學(xué)習(xí)算法與Python實(shí)戰(zhàn)P5：Matplotlib&Seaborn
可能是全網(wǎng)最全的速查表：Python機(jī)器學(xué)習(xí)ChatGPT線性代數(shù)微積分概率統(tǒng)計(jì)
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