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import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

# 加载数据集
mnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data', one_hot=True)

# 以交互式方式启动session
# 如果不使用交互式session，则在启动session前必须
# 构建整个计算图，才能启动该计算图
sess = tf.InteractiveSession()

"""构建计算图"""
# 通过占位符来为输入图像和目标输出类别创建节点
# shape参数是可选的，有了它tensorflow可以自动捕获维度不一致导致的错误
x = tf.placeholder("float", shape=[None, 784]) # 原始输入
y_ = tf.placeholder("float", shape=[None, 10]) # 目标值

# 为了不在建立模型的时候反复做初始化操作，
# 我们定义两个函数用于初始化
def weight_variable(shape):
 # 截尾正态分布,stddev是正态分布的标准偏差
 initial = tf.truncated_normal(shape=shape, stddev=0.1)
 return tf.Variable(initial)
def bias_variable(shape):
 initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
 return tf.Variable(initial)

# 卷积核池化,步长为1,0边距
def conv2d(x, W):
 return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
def max_pool_2x2(x):
 return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1],
       strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

"""第一层卷积"""
# 由一个卷积和一个最大池化组成。滤波器5x5中算出32个特征，是因为使用32个滤波器进行卷积
# 卷积的权重张量形状是[5, 5, 1, 32],1是输入通道的个数，32是输出通道个数
W_conv1 = weight_variable([5, 5, 1, 32])
# 每一个输出通道都有一个偏置量
b_conv1 = bias_variable([32])

# 位了使用卷积，必须将输入转换成4维向量，2、3维表示图片的宽、高
# 最后一维表示图片的颜色通道（因为是灰度图像所以通道数维1，RGB图像通道数为3）
x_image = tf.reshape(x, [-1, 28, 28, 1])

# 第一层的卷积结果,使用Relu作为激活函数
h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(x_image, W_conv1))
# 第一层卷积后的池化结果
h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)

"""第二层卷积"""
W_conv2 = weight_variable([5, 5, 32, 64])
b_conv2 = bias_variable([64])
h_conv2 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool1, W_conv2) + b_conv2)
h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2)

"""全连接层"""
# 图片尺寸减小到7*7，加入一个有1024个神经元的全连接层
W_fc1 = weight_variable([7*7*64, 1024])
b_fc1 = bias_variable([1024])
# 将最后的池化层输出张量reshape成一维向量
h_pool2_flat = tf.reshape(h_pool2, [-1, 7*7*64])
# 全连接层的输出
h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_pool2_flat, W_fc1) + b_fc1)

"""使用Dropout减少过拟合"""
# 使用placeholder占位符来表示神经元的输出在dropout中保持不变的概率
# 在训练的过程中启用dropout，在测试过程中关闭dropout
keep_prob = tf.placeholder("float")
h_fc1_drop = tf.nn.dropout(h_fc1, keep_prob)

"""输出层"""
W_fc2 = weight_variable([1024, 10])
b_fc2 = bias_variable([10])
# 模型预测输出
y_conv = tf.nn.softmax(tf.matmul(h_fc1_drop, W_fc2) + b_fc2)

# 交叉熵损失
cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_ * tf.log(y_conv))

# 模型训练,使用AdamOptimizer来做梯度最速下降
train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)

# 正确预测,得到True或False的List
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_, 1), tf.argmax(y_conv, 1))
# 将布尔值转化成浮点数，取平均值作为精确度
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))

# 在session中先初始化变量才能在session中调用
sess.run(tf.global_variables_initializer())

# 迭代优化模型
for i in range(2000):
 # 每次取50个样本进行训练
 batch = mnist.train.next_batch(50)
 if i%100 == 0:
  train_accuracy = accuracy.eval(feed_dict={
   x: batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 1.0}) # 模型中间不使用dropout
  print("step %d, training accuracy %g" % (i, train_accuracy))
 train_step.run(feed_dict={x:batch[0], y_:batch[1], keep_prob: 0.5})
print("test accuracy %g" % accuracy.eval(feed_dict={
   x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0}))