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Régularisation de graphes pour la classification de documents à l'aide de graphes naturels

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Aperçu

Graphique régularisation est une technique spécifique dans le cadre du paradigme plus large de Neural Graph apprentissage ( Bui et al., 2018 ). L'idée de base est de former des modèles de réseaux de neurones avec un objectif de régularisation graphique, en exploitant à la fois des données étiquetées et non étiquetées.

Dans ce tutoriel, nous explorerons l'utilisation de la régularisation de graphe pour classer des documents qui forment un graphe naturel (organique).

La recette générale pour créer un modèle de graphe régularisé à l'aide du cadre Neural Structured Learning (NSL) est la suivante :

  1. Générez des données d'entraînement à partir du graphique d'entrée et des exemples de caractéristiques. Les nœuds du graphique correspondent aux échantillons et les bords du graphique correspondent à la similarité entre les paires d'échantillons. Les données d'apprentissage résultantes contiendront des caractéristiques voisines en plus des caractéristiques de nœud d'origine.
  2. Créer un réseau neuronal en tant que modèle de base en utilisant le Keras séquentiel, API fonctionnel ou sous - classe.
  3. Enroulez le modèle de base avec la GraphRegularization classe wrapper, qui est fourni par le cadre de NSL, pour créer un nouveau graphique Keras modèle. Ce nouveau modèle inclura une perte de régularisation de graphe comme terme de régularisation dans son objectif d'entraînement.
  4. Former et évaluer le graphique Keras modèle.

Installer

Installez le package Neural Structured Learning.

pip install --quiet neural-structured-learning

Dépendances et importations

import neural_structured_learning as nsl

import tensorflow as tf

# Resets notebook state
tf.keras.backend.clear_session()

print("Version: ", tf.__version__)
print("Eager mode: ", tf.executing_eagerly())
print(
    "GPU is",
    "available" if tf.config.list_physical_devices("GPU") else "NOT AVAILABLE")
Version:  2.8.0-rc0
Eager mode:  True
GPU is NOT AVAILABLE
2022-01-05 12:39:27.704660: E tensorflow/stream_executor/cuda/cuda_driver.cc:271] failed call to cuInit: CUDA_ERROR_NO_DEVICE: no CUDA-capable device is detected

Jeu de données Cora

L' ensemble de données Cora est un graphique de citation dans lequel les noeuds représentent des documents d'apprentissage de la machine et les bords représentent les citations entre des paires de documents. La tâche impliquée est la classification des documents où l'objectif est de classer chaque article dans l'une des 7 catégories. En d'autres termes, il s'agit d'un problème de classification multi-classes avec 7 classes.

Graphique

Le graphe original est orienté. Cependant, pour les besoins de cet exemple, nous considérons la version non orientée de ce graphe. Ainsi, si l'article A cite l'article B, nous considérons également que l'article B a cité A. Bien que ce ne soit pas nécessairement vrai, dans cet exemple, nous considérons les citations comme une approximation de la similarité, qui est généralement une propriété commutative.

Caractéristiques

Chaque papier dans l'entrée contient effectivement 2 caractéristiques :

  1. Mots: dense, représentation sac de mots multi-chaud du texte dans le document. Le vocabulaire de l'ensemble de données Cora contient 1433 mots uniques. Ainsi, la longueur de cette caractéristique est de 1433, et la valeur à la position 'i' est 0/1 indiquant si le mot 'i' dans le vocabulaire existe dans le papier donné ou non.

  2. Label: un entier représentant l'ID de classe (catégorie) du papier.

Télécharger le jeu de données Cora

wget --quiet -P /tmp https://linqs-data.soe.ucsc.edu/public/lbc/cora.tgz
tar -C /tmp -xvzf /tmp/cora.tgz
cora/
cora/README
cora/cora.cites
cora/cora.content

Convertir les données Cora au format NSL

Pour prétraiter l'ensemble de données Cora et le convertir au format requis par l' apprentissage structuré Neural, nous allons exécuter le script « preprocess_cora_dataset.py », qui est inclus dans le référentiel de github NSL. Ce script effectue les opérations suivantes :

  1. Générez des entités voisines à l'aide des entités de nœud d'origine et du graphique.
  2. Générer trains et données de test contenant splits tf.train.Example cas.
  3. Persister le train résultant et des données de test dans le TFRecord format.
!wget https://raw.githubusercontent.com/tensorflow/neural-structured-learning/master/neural_structured_learning/examples/preprocess/cora/preprocess_cora_dataset.py

!python preprocess_cora_dataset.py \
--input_cora_content=/tmp/cora/cora.content \
--input_cora_graph=/tmp/cora/cora.cites \
--max_nbrs=5 \
--output_train_data=/tmp/cora/train_merged_examples.tfr \
--output_test_data=/tmp/cora/test_examples.tfr
--2022-01-05 12:39:28--  https://raw.githubusercontent.com/tensorflow/neural-structured-learning/master/neural_structured_learning/examples/preprocess/cora/preprocess_cora_dataset.py
Resolving raw.githubusercontent.com (raw.githubusercontent.com)... 185.199.108.133, 185.199.109.133, 185.199.110.133, ...
Connecting to raw.githubusercontent.com (raw.githubusercontent.com)|185.199.108.133|:443... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 11640 (11K) [text/plain]
Saving to: ‘preprocess_cora_dataset.py’

preprocess_cora_dat 100%[===================>]  11.37K  --.-KB/s    in 0s      

2022-01-05 12:39:28 (78.9 MB/s) - ‘preprocess_cora_dataset.py’ saved [11640/11640]

2022-01-05 12:39:31.378912: E tensorflow/stream_executor/cuda/cuda_driver.cc:271] failed call to cuInit: CUDA_ERROR_NO_DEVICE: no CUDA-capable device is detected
Reading graph file: /tmp/cora/cora.cites...
Done reading 5429 edges from: /tmp/cora/cora.cites (0.01 seconds).
Making all edges bi-directional...
Done (0.01 seconds). Total graph nodes: 2708
Joining seed and neighbor tf.train.Examples with graph edges...
Done creating and writing 2155 merged tf.train.Examples (1.36 seconds).
Out-degree histogram: [(1, 386), (2, 468), (3, 452), (4, 309), (5, 540)]
Output training data written to TFRecord file: /tmp/cora/train_merged_examples.tfr.
Output test data written to TFRecord file: /tmp/cora/test_examples.tfr.
Total running time: 0.04 minutes.

Variables globales

Les chemins de fichiers aux données du train et de test sont basées sur les valeurs de drapeau de ligne de commande utilisée pour invoquer le script « preprocess_cora_dataset.py » ci - dessus.

### Experiment dataset
TRAIN_DATA_PATH = '/tmp/cora/train_merged_examples.tfr'
TEST_DATA_PATH = '/tmp/cora/test_examples.tfr'

### Constants used to identify neighbor features in the input.
NBR_FEATURE_PREFIX = 'NL_nbr_'
NBR_WEIGHT_SUFFIX = '_weight'

Hyperparamètres

Nous utiliserons une instance de HParams pour inclure diverses hyperparam'etres et constantes utilisées pour la formation et l' évaluation. Nous les décrivons brièvement ci-dessous :

  • num_classes: Il y a un total de 7 classes différentes

  • max_seq_length: Ceci est la taille du vocabulaire et toutes les instances de l'entrée ont un multi-chaud dense, sac-de-mots de représentation. En d'autres termes, une valeur de 1 pour un mot indique que le mot est présent dans l'entrée et une valeur de 0 indique qu'il ne l'est pas.

  • distance_type: Ceci est la distance métrique utilisée pour régulariser l'échantillon avec ses voisins.

  • graph_regularization_multiplier: Ce contrôle le poids relatif du terme de régularisation graphique dans la fonction globale de perte.

  • num_neighbors: Le nombre de voisins utilisés pour la régularisation du graphique. Cette valeur doit être inférieure ou égale aux max_nbrs arguments de ligne de commande utilisé ci - dessus lors de l' exécution preprocess_cora_dataset.py .

  • num_fc_units: Le nombre de couches entièrement connectées à notre réseau de neurones.

  • train_epochs: Le nombre d'époques de formation.

  • batch_size: Taille du lot utilisé pour la formation et l' évaluation.

  • dropout_rate: contrôle la vitesse de décrochage après chaque couche entièrement connecté

  • eval_steps: Le nombre de lots à traiter avant de considérer l' évaluation est terminée. Si la valeur None , toutes les instances du jeu de test sont évalués.

class HParams(object):
  """Hyperparameters used for training."""
  def __init__(self):
    ### dataset parameters
    self.num_classes = 7
    self.max_seq_length = 1433
    ### neural graph learning parameters
    self.distance_type = nsl.configs.DistanceType.L2
    self.graph_regularization_multiplier = 0.1
    self.num_neighbors = 1
    ### model architecture
    self.num_fc_units = [50, 50]
    ### training parameters
    self.train_epochs = 100
    self.batch_size = 128
    self.dropout_rate = 0.5
    ### eval parameters
    self.eval_steps = None  # All instances in the test set are evaluated.

HPARAMS = HParams()

Charger le train et tester les données

Comme décrit plus haut dans ce bloc - notes, les données de formation et de test d' entrée ont été créés par le « preprocess_cora_dataset.py ». Nous allons les charger dans deux tf.data.Dataset objets - un pour le train et un pour test.

Dans la couche d'entrée de notre modèle, nous allons extraire non seulement les « mots » et le « label » caractéristiques de chaque échantillon, mais également voisin correspondant fonctionnalités basées sur la hparams.num_neighbors valeur. Les cas avec moins de voisins que hparams.num_neighbors seront attribués pour ces valeurs factices caractéristiques voisines inexistantes.

def make_dataset(file_path, training=False):
  """Creates a `tf.data.TFRecordDataset`.

  Args:
    file_path: Name of the file in the `.tfrecord` format containing
      `tf.train.Example` objects.
    training: Boolean indicating if we are in training mode.

  Returns:
    An instance of `tf.data.TFRecordDataset` containing the `tf.train.Example`
    objects.
  """

  def parse_example(example_proto):
    """Extracts relevant fields from the `example_proto`.

    Args:
      example_proto: An instance of `tf.train.Example`.

    Returns:
      A pair whose first value is a dictionary containing relevant features
      and whose second value contains the ground truth label.
    """
    # The 'words' feature is a multi-hot, bag-of-words representation of the
    # original raw text. A default value is required for examples that don't
    # have the feature.
    feature_spec = {
        'words':
            tf.io.FixedLenFeature([HPARAMS.max_seq_length],
                                  tf.int64,
                                  default_value=tf.constant(
                                      0,
                                      dtype=tf.int64,
                                      shape=[HPARAMS.max_seq_length])),
        'label':
            tf.io.FixedLenFeature((), tf.int64, default_value=-1),
    }
    # We also extract corresponding neighbor features in a similar manner to
    # the features above during training.
    if training:
      for i in range(HPARAMS.num_neighbors):
        nbr_feature_key = '{}{}_{}'.format(NBR_FEATURE_PREFIX, i, 'words')
        nbr_weight_key = '{}{}{}'.format(NBR_FEATURE_PREFIX, i,
                                         NBR_WEIGHT_SUFFIX)
        feature_spec[nbr_feature_key] = tf.io.FixedLenFeature(
            [HPARAMS.max_seq_length],
            tf.int64,
            default_value=tf.constant(
                0, dtype=tf.int64, shape=[HPARAMS.max_seq_length]))

        # We assign a default value of 0.0 for the neighbor weight so that
        # graph regularization is done on samples based on their exact number
        # of neighbors. In other words, non-existent neighbors are discounted.
        feature_spec[nbr_weight_key] = tf.io.FixedLenFeature(
            [1], tf.float32, default_value=tf.constant([0.0]))

    features = tf.io.parse_single_example(example_proto, feature_spec)

    label = features.pop('label')
    return features, label

  dataset = tf.data.TFRecordDataset([file_path])
  if training:
    dataset = dataset.shuffle(10000)
  dataset = dataset.map(parse_example)
  dataset = dataset.batch(HPARAMS.batch_size)
  return dataset


train_dataset = make_dataset(TRAIN_DATA_PATH, training=True)
test_dataset = make_dataset(TEST_DATA_PATH)

Jetons un coup d'œil à l'ensemble de données du train pour examiner son contenu.

for feature_batch, label_batch in train_dataset.take(1):
  print('Feature list:', list(feature_batch.keys()))
  print('Batch of inputs:', feature_batch['words'])
  nbr_feature_key = '{}{}_{}'.format(NBR_FEATURE_PREFIX, 0, 'words')
  nbr_weight_key = '{}{}{}'.format(NBR_FEATURE_PREFIX, 0, NBR_WEIGHT_SUFFIX)
  print('Batch of neighbor inputs:', feature_batch[nbr_feature_key])
  print('Batch of neighbor weights:',
        tf.reshape(feature_batch[nbr_weight_key], [-1]))
  print('Batch of labels:', label_batch)
Feature list: ['NL_nbr_0_weight', 'NL_nbr_0_words', 'words']
Batch of inputs: tf.Tensor(
[[0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 ...
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 1 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]], shape=(128, 1433), dtype=int64)
Batch of neighbor inputs: tf.Tensor(
[[0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 ...
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]], shape=(128, 1433), dtype=int64)
Batch of neighbor weights: tf.Tensor(
[1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.

 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.], shape=(128,), dtype=float32)
Batch of labels: tf.Tensor(
[2 2 6 2 0 6 1 3 5 0 1 2 3 6 1 1 0 3 5 2 3 1 4 1 6 1 3 2 2 2 0 3 2 1 3 3 2
 3 3 2 3 2 2 0 2 2 6 0 2 1 1 0 5 2 1 4 2 1 2 4 0 2 5 4 3 6 3 2 1 6 2 4 2 2
 6 4 6 4 3 5 2 2 2 4 2 2 2 1 2 2 2 4 2 3 6 2 0 6 6 0 2 6 2 1 2 0 1 1 3 2 0
 2 0 2 1 1 3 5 2 1 2 5 1 6 2 4 6 4], shape=(128,), dtype=int64)

Jetons un coup d'œil à l'ensemble de données de test pour examiner son contenu.

for feature_batch, label_batch in test_dataset.take(1):
  print('Feature list:', list(feature_batch.keys()))
  print('Batch of inputs:', feature_batch['words'])
  print('Batch of labels:', label_batch)
Feature list: ['words']
Batch of inputs: tf.Tensor(
[[0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 ...
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]
 [0 0 0 ... 0 0 0]], shape=(128, 1433), dtype=int64)
Batch of labels: tf.Tensor(
[5 2 2 2 1 2 6 3 2 3 6 1 3 6 4 4 2 3 3 0 2 0 5 2 1 0 6 3 6 4 2 2 3 0 4 2 2
 2 2 3 2 2 2 0 2 2 2 2 4 2 3 4 0 2 6 2 1 4 2 0 0 1 4 2 6 0 5 2 2 3 2 5 2 5
 2 3 2 2 2 2 2 6 6 3 2 4 2 6 3 2 2 6 2 4 2 2 1 3 4 6 0 0 2 4 2 1 3 6 6 2 6
 6 6 1 4 6 4 3 6 6 0 0 2 6 2 4 0 0], shape=(128,), dtype=int64)

Définition du modèle

Afin de démontrer l'utilisation de la régularisation de graphes, nous construisons d'abord un modèle de base pour ce problème. Nous utiliserons un simple réseau de neurones à anticipation avec 2 couches cachées et un abandon entre les deux. Nous illustrons la création du modèle de base en utilisant tous les types de modèles pris en charge par le tf.Keras cadre - séquentiel, fonctionnel, et la sous - classe.

Modèle de base séquentiel

def make_mlp_sequential_model(hparams):
  """Creates a sequential multi-layer perceptron model."""
  model = tf.keras.Sequential()
  model.add(
      tf.keras.layers.InputLayer(
          input_shape=(hparams.max_seq_length,), name='words'))
  # Input is already one-hot encoded in the integer format. We cast it to
  # floating point format here.
  model.add(
      tf.keras.layers.Lambda(lambda x: tf.keras.backend.cast(x, tf.float32)))
  for num_units in hparams.num_fc_units:
    model.add(tf.keras.layers.Dense(num_units, activation='relu'))
    # For sequential models, by default, Keras ensures that the 'dropout' layer
    # is invoked only during training.
    model.add(tf.keras.layers.Dropout(hparams.dropout_rate))
  model.add(tf.keras.layers.Dense(hparams.num_classes))
  return model

Modèle de base fonctionnel

def make_mlp_functional_model(hparams):
  """Creates a functional API-based multi-layer perceptron model."""
  inputs = tf.keras.Input(
      shape=(hparams.max_seq_length,), dtype='int64', name='words')

  # Input is already one-hot encoded in the integer format. We cast it to
  # floating point format here.
  cur_layer = tf.keras.layers.Lambda(
      lambda x: tf.keras.backend.cast(x, tf.float32))(
          inputs)

  for num_units in hparams.num_fc_units:
    cur_layer = tf.keras.layers.Dense(num_units, activation='relu')(cur_layer)
    # For functional models, by default, Keras ensures that the 'dropout' layer
    # is invoked only during training.
    cur_layer = tf.keras.layers.Dropout(hparams.dropout_rate)(cur_layer)

  outputs = tf.keras.layers.Dense(hparams.num_classes)(cur_layer)

  model = tf.keras.Model(inputs, outputs=outputs)
  return model

Modèle de base de sous-classe

def make_mlp_subclass_model(hparams):
  """Creates a multi-layer perceptron subclass model in Keras."""

  class MLP(tf.keras.Model):
    """Subclass model defining a multi-layer perceptron."""

    def __init__(self):
      super(MLP, self).__init__()
      # Input is already one-hot encoded in the integer format. We create a
      # layer to cast it to floating point format here.
      self.cast_to_float_layer = tf.keras.layers.Lambda(
          lambda x: tf.keras.backend.cast(x, tf.float32))
      self.dense_layers = [
          tf.keras.layers.Dense(num_units, activation='relu')
          for num_units in hparams.num_fc_units
      ]
      self.dropout_layer = tf.keras.layers.Dropout(hparams.dropout_rate)
      self.output_layer = tf.keras.layers.Dense(hparams.num_classes)

    def call(self, inputs, training=False):
      cur_layer = self.cast_to_float_layer(inputs['words'])
      for dense_layer in self.dense_layers:
        cur_layer = dense_layer(cur_layer)
        cur_layer = self.dropout_layer(cur_layer, training=training)

      outputs = self.output_layer(cur_layer)

      return outputs

  return MLP()

Créer des modèles de base

# Create a base MLP model using the functional API.
# Alternatively, you can also create a sequential or subclass base model using
# the make_mlp_sequential_model() or make_mlp_subclass_model() functions
# respectively, defined above. Note that if a subclass model is used, its
# summary cannot be generated until it is built.
base_model_tag, base_model = 'FUNCTIONAL', make_mlp_functional_model(HPARAMS)
base_model.summary()
Model: "model"
_________________________________________________________________
 Layer (type)                Output Shape              Param #   
=================================================================
 words (InputLayer)          [(None, 1433)]            0         
                                                                 
 lambda (Lambda)             (None, 1433)              0         
                                                                 
 dense (Dense)               (None, 50)                71700     
                                                                 
 dropout (Dropout)           (None, 50)                0         
                                                                 
 dense_1 (Dense)             (None, 50)                2550      
                                                                 
 dropout_1 (Dropout)         (None, 50)                0         
                                                                 
 dense_2 (Dense)             (None, 7)                 357       
                                                                 
=================================================================
Total params: 74,607
Trainable params: 74,607
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

Modèle MLP de base de train

# Compile and train the base MLP model
base_model.compile(
    optimizer='adam',
    loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
    metrics=['accuracy'])
base_model.fit(train_dataset, epochs=HPARAMS.train_epochs, verbose=1)
Epoch 1/100
/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/keras/engine/functional.py:559: UserWarning: Input dict contained keys ['NL_nbr_0_weight', 'NL_nbr_0_words'] which did not match any model input. They will be ignored by the model.
  inputs = self._flatten_to_reference_inputs(inputs)
17/17 [==============================] - 1s 18ms/step - loss: 1.9521 - accuracy: 0.1838
Epoch 2/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.8590 - accuracy: 0.3044
Epoch 3/100
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Epoch 4/100
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Epoch 5/100
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Epoch 6/100
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Epoch 7/100
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Epoch 8/100
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Epoch 9/100
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Epoch 12/100
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Epoch 14/100
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Epoch 15/100
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Epoch 16/100
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Epoch 17/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.5112 - accuracy: 0.8445
Epoch 18/100
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Epoch 19/100
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Epoch 20/100
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Epoch 21/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.3564 - accuracy: 0.8933
Epoch 22/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.3453 - accuracy: 0.9002
Epoch 23/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.3226 - accuracy: 0.9114
Epoch 24/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.3058 - accuracy: 0.9151
Epoch 25/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.2798 - accuracy: 0.9146
Epoch 26/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.2638 - accuracy: 0.9248
Epoch 27/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.2538 - accuracy: 0.9290
Epoch 28/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.2356 - accuracy: 0.9411
Epoch 29/100
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Epoch 30/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.2172 - accuracy: 0.9364
Epoch 31/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.2259 - accuracy: 0.9225
Epoch 32/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1944 - accuracy: 0.9480
Epoch 33/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1892 - accuracy: 0.9434
Epoch 34/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1718 - accuracy: 0.9592
Epoch 35/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1826 - accuracy: 0.9508
Epoch 36/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1585 - accuracy: 0.9559
Epoch 37/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1605 - accuracy: 0.9545
Epoch 38/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1529 - accuracy: 0.9550
Epoch 39/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1411 - accuracy: 0.9615
Epoch 40/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1366 - accuracy: 0.9624
Epoch 41/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1431 - accuracy: 0.9578
Epoch 42/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1241 - accuracy: 0.9619
Epoch 43/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1310 - accuracy: 0.9661
Epoch 44/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1284 - accuracy: 0.9652
Epoch 45/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1215 - accuracy: 0.9633
Epoch 46/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1130 - accuracy: 0.9722
Epoch 47/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1074 - accuracy: 0.9722
Epoch 48/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1143 - accuracy: 0.9694
Epoch 49/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1015 - accuracy: 0.9740
Epoch 50/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1077 - accuracy: 0.9698
Epoch 51/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1035 - accuracy: 0.9684
Epoch 52/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1076 - accuracy: 0.9694
Epoch 53/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1000 - accuracy: 0.9689
Epoch 54/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0967 - accuracy: 0.9749
Epoch 55/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0994 - accuracy: 0.9703
Epoch 56/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0943 - accuracy: 0.9740
Epoch 57/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0923 - accuracy: 0.9735
Epoch 58/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0848 - accuracy: 0.9800
Epoch 59/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0836 - accuracy: 0.9782
Epoch 60/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0913 - accuracy: 0.9735
Epoch 61/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0823 - accuracy: 0.9773
Epoch 62/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0753 - accuracy: 0.9810
Epoch 63/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0746 - accuracy: 0.9777
Epoch 64/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0861 - accuracy: 0.9731
Epoch 65/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0765 - accuracy: 0.9787
Epoch 66/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0750 - accuracy: 0.9791
Epoch 67/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0725 - accuracy: 0.9814
Epoch 68/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0762 - accuracy: 0.9791
Epoch 69/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0645 - accuracy: 0.9842
Epoch 70/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0606 - accuracy: 0.9861
Epoch 71/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0775 - accuracy: 0.9805
Epoch 72/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0655 - accuracy: 0.9800
Epoch 73/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0629 - accuracy: 0.9833
Epoch 74/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0625 - accuracy: 0.9824
Epoch 75/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0607 - accuracy: 0.9838
Epoch 76/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0578 - accuracy: 0.9824
Epoch 77/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0568 - accuracy: 0.9842
Epoch 78/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0595 - accuracy: 0.9833
Epoch 79/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0615 - accuracy: 0.9842
Epoch 80/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0555 - accuracy: 0.9852
Epoch 81/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0517 - accuracy: 0.9870
Epoch 82/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0541 - accuracy: 0.9856
Epoch 83/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0533 - accuracy: 0.9884
Epoch 84/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0509 - accuracy: 0.9838
Epoch 85/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0600 - accuracy: 0.9828
Epoch 86/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0617 - accuracy: 0.9800
Epoch 87/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0599 - accuracy: 0.9800
Epoch 88/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0502 - accuracy: 0.9870
Epoch 89/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0416 - accuracy: 0.9907
Epoch 90/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0542 - accuracy: 0.9842
Epoch 91/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0490 - accuracy: 0.9847
Epoch 92/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0374 - accuracy: 0.9916
Epoch 93/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0467 - accuracy: 0.9893
Epoch 94/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0426 - accuracy: 0.9879
Epoch 95/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0543 - accuracy: 0.9861
Epoch 96/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0420 - accuracy: 0.9870
Epoch 97/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0461 - accuracy: 0.9861
Epoch 98/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0425 - accuracy: 0.9898
Epoch 99/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0406 - accuracy: 0.9907
Epoch 100/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0486 - accuracy: 0.9847
<keras.callbacks.History at 0x7f6f9d5eacd0>

Évaluer le modèle MLP de base

# Helper function to print evaluation metrics.
def print_metrics(model_desc, eval_metrics):
  """Prints evaluation metrics.

  Args:
    model_desc: A description of the model.
    eval_metrics: A dictionary mapping metric names to corresponding values. It
      must contain the loss and accuracy metrics.
  """
  print('\n')
  print('Eval accuracy for ', model_desc, ': ', eval_metrics['accuracy'])
  print('Eval loss for ', model_desc, ': ', eval_metrics['loss'])
  if 'graph_loss' in eval_metrics:
    print('Eval graph loss for ', model_desc, ': ', eval_metrics['graph_loss'])
eval_results = dict(
    zip(base_model.metrics_names,
        base_model.evaluate(test_dataset, steps=HPARAMS.eval_steps)))
print_metrics('Base MLP model', eval_results)
5/5 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 1.4192 - accuracy: 0.7939


Eval accuracy for  Base MLP model :  0.7938517332077026
Eval loss for  Base MLP model :  1.4192423820495605

Entraîner le modèle MLP avec régularisation de graphe

L' intégration de la régularisation du graphique en terme de perte d'un existant tf.Keras.Model ne nécessite que quelques lignes de code. Le modèle de base est enroulé pour créer un nouveau tf.Keras modèle de, dont la perte comprend la régularisation graphique.

Pour évaluer l'avantage supplémentaire de la régularisation des graphes, nous allons créer une nouvelle instance de modèle de base. En effet , base_model a déjà été formé pour quelques itérations, et réutiliser ce modèle formé pour créer un modèle régularisé graphique-ne sera pas une comparaison équitable pour base_model .

# Build a new base MLP model.
base_reg_model_tag, base_reg_model = 'FUNCTIONAL', make_mlp_functional_model(
    HPARAMS)
# Wrap the base MLP model with graph regularization.
graph_reg_config = nsl.configs.make_graph_reg_config(
    max_neighbors=HPARAMS.num_neighbors,
    multiplier=HPARAMS.graph_regularization_multiplier,
    distance_type=HPARAMS.distance_type,
    sum_over_axis=-1)
graph_reg_model = nsl.keras.GraphRegularization(base_reg_model,
                                                graph_reg_config)
graph_reg_model.compile(
    optimizer='adam',
    loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
    metrics=['accuracy'])
graph_reg_model.fit(train_dataset, epochs=HPARAMS.train_epochs, verbose=1)
Epoch 1/100
/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow/python/framework/indexed_slices.py:446: UserWarning: Converting sparse IndexedSlices(IndexedSlices(indices=Tensor("gradient_tape/GraphRegularization/graph_loss/Reshape_1:0", shape=(None,), dtype=int32), values=Tensor("gradient_tape/GraphRegularization/graph_loss/Reshape:0", shape=(None, 7), dtype=float32), dense_shape=Tensor("gradient_tape/GraphRegularization/graph_loss/Cast:0", shape=(2,), dtype=int32))) to a dense Tensor of unknown shape. This may consume a large amount of memory.
  "shape. This may consume a large amount of memory." % value)
17/17 [==============================] - 2s 4ms/step - loss: 1.9798 - accuracy: 0.1601 - scaled_graph_loss: 0.0373
Epoch 2/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.9024 - accuracy: 0.2979 - scaled_graph_loss: 0.0254
Epoch 3/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.8623 - accuracy: 0.3160 - scaled_graph_loss: 0.0317
Epoch 4/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.8042 - accuracy: 0.3443 - scaled_graph_loss: 0.0498
Epoch 5/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.7552 - accuracy: 0.3582 - scaled_graph_loss: 0.0696
Epoch 6/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.7012 - accuracy: 0.4084 - scaled_graph_loss: 0.0866
Epoch 7/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.6578 - accuracy: 0.4515 - scaled_graph_loss: 0.1114
Epoch 8/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.6058 - accuracy: 0.5039 - scaled_graph_loss: 0.1300
Epoch 9/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.5498 - accuracy: 0.5434 - scaled_graph_loss: 0.1508
Epoch 10/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.5098 - accuracy: 0.6019 - scaled_graph_loss: 0.1651
Epoch 11/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.4746 - accuracy: 0.6302 - scaled_graph_loss: 0.1844
Epoch 12/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.4315 - accuracy: 0.6520 - scaled_graph_loss: 0.1917
Epoch 13/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.3932 - accuracy: 0.6770 - scaled_graph_loss: 0.2024
Epoch 14/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.3645 - accuracy: 0.7183 - scaled_graph_loss: 0.2145
Epoch 15/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.3265 - accuracy: 0.7369 - scaled_graph_loss: 0.2324
Epoch 16/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.3045 - accuracy: 0.7555 - scaled_graph_loss: 0.2358
Epoch 17/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.2836 - accuracy: 0.7652 - scaled_graph_loss: 0.2404
Epoch 18/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.2456 - accuracy: 0.7898 - scaled_graph_loss: 0.2469
Epoch 19/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.2348 - accuracy: 0.8074 - scaled_graph_loss: 0.2615
Epoch 20/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.2000 - accuracy: 0.8074 - scaled_graph_loss: 0.2542
Epoch 21/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1994 - accuracy: 0.8260 - scaled_graph_loss: 0.2729
Epoch 22/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1825 - accuracy: 0.8269 - scaled_graph_loss: 0.2676
Epoch 23/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1598 - accuracy: 0.8455 - scaled_graph_loss: 0.2742
Epoch 24/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1543 - accuracy: 0.8534 - scaled_graph_loss: 0.2797
Epoch 25/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1456 - accuracy: 0.8552 - scaled_graph_loss: 0.2714
Epoch 26/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1154 - accuracy: 0.8566 - scaled_graph_loss: 0.2796
Epoch 27/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1150 - accuracy: 0.8687 - scaled_graph_loss: 0.2850
Epoch 28/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.1154 - accuracy: 0.8626 - scaled_graph_loss: 0.2772
Epoch 29/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.0806 - accuracy: 0.8733 - scaled_graph_loss: 0.2756
Epoch 30/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 1.0828 - accuracy: 0.8626 - scaled_graph_loss: 0.2907
Epoch 31/100
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Epoch 90/100
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Epoch 91/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8600 - accuracy: 0.9425 - scaled_graph_loss: 0.2965
Epoch 92/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8569 - accuracy: 0.9346 - scaled_graph_loss: 0.2977
Epoch 93/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8704 - accuracy: 0.9374 - scaled_graph_loss: 0.3083
Epoch 94/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8562 - accuracy: 0.9406 - scaled_graph_loss: 0.2883
Epoch 95/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8545 - accuracy: 0.9415 - scaled_graph_loss: 0.3030
Epoch 96/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8592 - accuracy: 0.9332 - scaled_graph_loss: 0.2927
Epoch 97/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8503 - accuracy: 0.9397 - scaled_graph_loss: 0.2927
Epoch 98/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8434 - accuracy: 0.9462 - scaled_graph_loss: 0.2937
Epoch 99/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8578 - accuracy: 0.9374 - scaled_graph_loss: 0.3064
Epoch 100/100
17/17 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.8504 - accuracy: 0.9411 - scaled_graph_loss: 0.3043
<keras.callbacks.History at 0x7f70041be650>

Évaluer le modèle MLP avec la régularisation de graphe

eval_results = dict(
    zip(graph_reg_model.metrics_names,
        graph_reg_model.evaluate(test_dataset, steps=HPARAMS.eval_steps)))
print_metrics('MLP + graph regularization', eval_results)
5/5 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.8884 - accuracy: 0.7957


Eval accuracy for  MLP + graph regularization :  0.7956600189208984
Eval loss for  MLP + graph regularization :  0.8883611559867859

La précision de modèle régularisé de graphe est d' environ 2-3% plus élevé que celui du modèle de base ( base_model ).

Conclusion

Nous avons démontré l'utilisation de la régularisation de graphe pour la classification de documents sur un graphe de citation naturelle (Cora) en utilisant le cadre d'apprentissage neuronal structuré (NSL). Notre tutoriel avancé implique la synthèse de graphiques basés sur l' échantillon encastrements avant la formation d' un réseau de neurones avec régularisation graphique. Cette approche est utile si l'entrée ne contient pas de graphique explicite.

Nous encourageons les utilisateurs à expérimenter davantage en faisant varier le degré de supervision et en essayant différentes architectures neuronales pour la régularisation des graphes.