AI / Start Google TensorFlow

Getting Started with TensorFlow 글을 요약 번역한다.

tensorflow를 사용하기 위해서는

• Python 프로그래밍
• 배열에 대한 이해
• 머신러닝에 대한 이해.

TensorFlow는 여러 API를 제공하고 있다.

• TensorFlow Core: 가장 저수준 API
• 고수준 API는 TensorFlow Core 위에 구성되 있다.

고수준 API 에서 contrib- 를 포함한 메서드 이름은 개발중으로 향후 변경 가능성이 크다.

Tensors

TensorFlow 에서 주요 데이터 단위가 tensor 이다. tensor는 어떤 차원의 배열로 구성된 기초적인 값의 집합이다. tensor의 rank는 차원의 수이다. 여러 rank를 가진 tensors의 예:

3 # 하나의 rank 0 tensor; 모양 [] 인 스칼라 값이다.
[1. ,2., 3.] # rank 1 tensor; 모양 [3] 인 벡터이다.
[[1., 2., 3.], [4., 5., 6.]] # rank 2 tensor; 모양 [2,3]인 행렬이다.
[[[1., 2., 3.]], [[7., 8., 9.]]] # 모양 [2, 1, 3] 인 rank 3 tensor

### TensorFlow Core tutorial

먼저 import로 tensorflow 패키지를 가져온다.

import tensorflow as tf

연산 그래프 Computational Graph

TensorFlow Core 프로그램은 두 개의 불연속 구획으로 구성되었다고 생각할 수 있다.

1. 연산 그래프 구성하기
   • 그래프를 조립하는 단계
2. 연산 그래프 실행하기
   • Session에서 graph 실행

예를 들어 뉴럴 네트워크를 표현하고 학습시키기 위해 구성 단계에는 graph를 만들고 실행 단계에는 graph의 훈련용 작업들(set of training ops)을 반복해서 실행합니다.[^1]

연산 그래프는 그래프 노드에 배열된 TensorFlow 작업의 급수이다. 간단한 연산 그래프를 구성해 보면, 각 노드는 0 혹은 다수의 tensor를 입력으로 가지고 tensor 하나를 출력으로 생성하게 하자. 노드 형식 중 하나는 상수인데, 모든 TensorFlow 상수 값은 입력으로 받지 않고, 초기화한 값을 사용한다. 아래 처럼 부동소수 tensor의 node1, node2 두 개를 생성해 보자

node1 = tf.constant(3.0, dtype = tf.float32)
node2 = tf.constant(4.0) # 명시적으로 tf.float32 를 인자로 사용해도 된다.
node3 = tf.add(node1, node2)
print(node1, node2)

아래 같이 출력된다.

Tensor("Const:0", shape=(), dtype=float32) Tensor("Const_1:0", shape=(), dtype=float32)

실제 값이 연산되려면 Session 을 생성하고 실행해야 한다. 다음 같이 세션을 만들고 node를 실행한다.

sess = tf.Session()
print(sess.run([node1, node2])) #[3.0, 4.0]

Tensor 노드를 묶어 복합적인 계산을 구성할 수 있다. 노드를 더해서 새로운 노드로 만들 수 있다.

node3 = tf.add( node1, node2)
print("node3:", node3)
print("sess.run(node3):", sess.run(node3))

노드를 더하는 결과는 아래 같다.

node3: Tensor("Add:0", shape=(), dtype=float32)
sess.run(node3): 7.0

TensorFlow 는 TensorBoard 를 지원해 계산 그래프를 그림으로 표시할 수 있다. 아래는 TensorBoard로 출력한 스크립샷이다.

상수가 아닌 매개변수 형식으로 외부 입력을 받을 수 있는 placeholders{:.keyword} 를 사용하면 값을 나중에 입력받을 수 있다.

a = tf.placeholder(tf.float32)
b = tf.placeholder(tf.float32)
adder_node = a + b  # + provides a shortcut for tf.add(a, b)

# 노드를 실행한다.
print(sess.run(adder_node, {a: 3, b:4.5}))
print(sess.run(adder_node, {a: [1,3], b: [2, 4]}))

결과는

7.5
[ 3.  7.]

TensorBoard 로 그려본 그래프는 다음 같다.

연산 그래프에 다른 연산을 더해 줄 수 있다.

add_and_triple = adder_node * 3.
print(sess.run(add_and_triple, {a: 3, b:4.5})) # 22.5

앞의 연산에 대한 TensorBoard에서 그래프는,

머신러닝에서 모델에 위와 같은 유효한 입력을 가지게 한다. 그리고 모델을 훈련시키기 위해서 새로운 출력을 갖도록 수정할 수 있다. Variables 는 그래프에 훈련시킬 매개변수를 더하게 해준다.

아래 같은 초기화 값이 있고,

W = tf.Variable([.3], dtype=tf.float32)
b = tf.Variable([-.3], dtype=tf.float32)
x = tf.placeholder(tf.float32)
linear_model = W * x + b

상수는 tf.constant{:.keyword} 를 호출할 때 초기화 되지만 이후 값을 변경 할 수 없다. 반면 Variable은 tf.Variable{:.keyword}가 호출될 때 초기화 되지 않는다. 초기화 하려면 아래같은 암묵적인 연산을 해주어야 한다.

init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)

그런데 init 의 실체는 모든 전역 변수를 초기화하는 TensorFlow sub-graph 핸들 이라는 것이다. 또한 sess.run 이 실행 될 때까지 초기화 되지 않는다.
이제 x 가 placeholder{:.keyword} 이기 때문에 다음 같이 lenear_model 의 수치를 구하게 한다.

print(sess.run(linear_model, {x:[1,2,3,4]}))

# [ 0.          0.30000001  0.60000002  0.90000004]

이제 훈련 데이터로 linear_model을 평가하기 위해서 y placeholder를 준비하자. 그리고 loss 함수를 작성한다.
loss 함수는 제공한 데이터와 현재 모델 사이가 얼마나 떨어져 있는지를 측정한다. 이것은 선형회귀(Linear Regression)에 대한 표준 loss model로 현제 모델과 제공한 데이터 사이의 델타의 제곱근의 합이다. linear_model - y 는 예제의 에러 델타에 대응하는 요소로 이루어진 벡터를 생성한다. tf.sqaure{:.keyword} 를 호출해서 에러에 대한 제곱근을 구한다.

y = tf.placeholder(tf.float32)
squared_deltas = tf.square(linear_model - y)
loss = tf.reduce_sum(squared_deltas)
print(sess.run(loss, {x:[1,2,3,4], y:[0,-1,-2,-3]}))
# 23.66

여기서 W, b 에 최적화된 값 -1, 1을 재지정 할 수 있는데, tf.assign{:.keyword} 같은 연산으로 바꿔 줄 수 있다.

fixW = tf.assign(W, [-1.])
fixb = tf.assign(b, [1.])
sess.run([fixW, fixb])
print(sess.run(loss, {x:[1,2,3,4], y:[0,-1,-2,-3]}))
# 0.0

결과 0.0 으로 W, b의 완벽한 값으 추축해 볼 수 있다. 머신러닝의 중요한 점은 자동으로 정확한 매개변수를 찾는 것이다. 다음 섹션에서 이것을 살펴볼 것이다.

tf.train API

TensorFlow 는 optimizers를 제공해서 loss 함수의 매개변수 순서에 따라 값을 변경할 수 있다. 간단한 최적화는 gradient optimizer 이다. 함수의 전달하는 자릿수에 따라 각 값을 바꿀 수 있다.

코드

여기까지 코드는 아래와 같다:

참조

• 텐서플로우 문서 한글 번역본
• Getting Started TensorFlow

[^1]: 텐서플로우 한글 번역본-기본적인 사용법