t81_558_class_09_4_transfer_nlp.ipynb

{
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  {
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   "source": [
    "<a href=\"https://colab.research.google.com/github/jeffheaton/t81_558_deep_learning/blob/master/t81_558_class_09_4_transfer_nlp.ipynb\" target=\"_parent\"><img src=\"https://colab.research.google.com/assets/colab-badge.svg\" alt=\"Open In Colab\"/></a>\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
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   "source": [
    "# T81-558: Applications of Deep Neural Networks\n",
    "**Module 9: Regularization: L1, L2 and Dropout**\n",
    "* Instructor: [Jeff Heaton](https://sites.wustl.edu/jeffheaton/), McKelvey School of Engineering, [Washington University in St. Louis](https://engineering.wustl.edu/Programs/Pages/default.aspx)\n",
    "* For more information visit the [class website](https://sites.wustl.edu/jeffheaton/t81-558/)."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "# Module 9 Material\n",
    "\n",
    "* Part 9.1: Introduction to Keras Transfer Learning [[Video]](https://www.youtube.com/watch?v=WLlP6S-Z8Xs&list=PLjy4p-07OYzulelvJ5KVaT2pDlxivl_BN) [[Notebook]](t81_558_class_09_1_keras_transfer.ipynb)\n",
    "* Part 9.2: Popular Pretrained Neural Networks for Keras [[Video]](https://www.youtube.com/watch?v=ctVA1_46YEE&list=PLjy4p-07OYzulelvJ5KVaT2pDlxivl_BN) [[Notebook]](t81_558_class_09_2_popular_transfer.ipynb)\n",
    "* Part 9.3: Transfer Learning for Computer Vision and Keras [[Video]](https://www.youtube.com/watch?v=61vMUm_XBMI&list=PLjy4p-07OYzulelvJ5KVaT2pDlxivl_BN) [[Notebook]](t81_558_class_09_3_transfer_cv.ipynb)\n",
    "* **Part 9.4: Transfer Learning for Languages and Keras** [[Video]](https://www.youtube.com/watch?v=ajmAAg9FxXA&list=PLjy4p-07OYzulelvJ5KVaT2pDlxivl_BN) [[Notebook]](t81_558_class_09_4_transfer_nlp.ipynb)\n",
    "* Part 9.5: Transfer Learning for Keras Feature Engineering [[Video]](https://www.youtube.com/watch?v=Dttxsm8zpL8&list=PLjy4p-07OYzulelvJ5KVaT2pDlxivl_BN) [[Notebook]](t81_558_class_09_5_transfer_feature_eng.ipynb)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "# Google CoLab Instructions\n",
    "\n",
    "The following code ensures that Google CoLab is running the correct version of TensorFlow."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 1,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Note: not using Google CoLab\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "try:\n",
    "    %tensorflow_version 2.x\n",
    "    COLAB = True\n",
    "    print(\"Note: using Google CoLab\")\n",
    "except:\n",
    "    print(\"Note: not using Google CoLab\")\n",
    "    COLAB = False"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "# Part 9.4: Transfer Learning for Languages and Keras\n",
    "\n",
    "You will commonly use transfer learning in conjunction with Natural Language Processing (NLP).  This course has an entire module that covers NLP.  However, we will look at how you can load a network into Keras for NLP via transfer learning.  The following three sources were helpful for the creation of this section.\n",
    "\n",
    "* Universal sentence encoder [[Cite:cer2018universal]](https://arxiv.org/abs/1803.11175). arXiv preprint arXiv:1803.11175)\n",
    "* Deep Transfer Learning for Natural Language Processing: Text Classification with Universal Embeddings [[Cite:howard2018universal]](https://towardsdatascience.com/deep-transfer-learning-for-natural-language-processing-text-classification-with-universal-1a2c69e5baa9)\n",
    "* [Keras Tutorial: How to Use Google's Universal Sentence Encoder for Spam Classification](http://hunterheidenreich.com/blog/google-universal-sentence-encoder-in-keras/)\n",
    "\n",
    "These examples make use of TensorFlow Hub, which allows pretrained models to be loaded into TensorFlow easily.  To install TensorHub use the following commands."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 2,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Collecting tensorflow_hub\n",
      "  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/00/0e/a91780d07592b1abf9c91344ce459472cc19db3b67fdf3a61dca6ebb2f5c/tensorflow_hub-0.7.0-py2.py3-none-any.whl\n",
      "Requirement already satisfied: six>=1.10.0 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_hub) (1.13.0)\n",
      "Requirement already satisfied: protobuf>=3.4.0 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_hub) (3.11.2)\n",
      "Requirement already satisfied: numpy>=1.12.0 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_hub) (1.17.4)\n",
      "Requirement already satisfied: setuptools in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from protobuf>=3.4.0->tensorflow_hub) (42.0.2.post20191203)\n",
      "Installing collected packages: tensorflow-hub\n",
      "Successfully installed tensorflow-hub-0.7.0\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "!pip install tensorflow_hub"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "It is also necessary to install TensorFlow Datasets, which you can install \\with the following command."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 3,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Collecting tensorflow_datasets\n",
      "  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/8b/2e/77823b3754af2eb2ca6f3676f91741fafa44bc653cfafc267c70afd7355f/tensorflow_datasets-1.3.2-py3-none-any.whl\n",
      "Requirement already satisfied: tqdm in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (4.40.2)\n",
      "Requirement already satisfied: future in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (0.18.2)\n",
      "Requirement already satisfied: attrs in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (19.3.0)\n",
      "Collecting tensorflow-metadata\n",
      "  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/3b/0c/afb81ea6998f6e26521671585d1cd9d3f7945a8b9834764e91757453dc25/tensorflow_metadata-0.15.2-py2.py3-none-any.whl\n",
      "Collecting promise\n",
      "  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/cf/9c/fb5d48abfe5d791cd496e4242ebcf87a4bb2e0c3dcd6e0ae68c11426a528/promise-2.3.tar.gz\n",
      "Requirement already satisfied: termcolor in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (1.1.0)\n",
      "Requirement already satisfied: wrapt in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (1.11.2)\n",
      "Requirement already satisfied: absl-py in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (0.8.1)\n",
      "Requirement already satisfied: protobuf>=3.6.1 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (3.11.2)\n",
      "Requirement already satisfied: six in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (1.13.0)\n",
      "Requirement already satisfied: numpy in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (1.17.4)\n",
      "Requirement already satisfied: requests>=2.19.0 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from tensorflow_datasets) (2.22.0)\n",
      "Collecting dill\n",
      "  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/c7/11/345f3173809cea7f1a193bfbf02403fff250a3360e0e118a1630985e547d/dill-0.3.1.1.tar.gz\n",
      "Collecting googleapis-common-protos\n",
      "  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/eb/ee/e59e74ecac678a14d6abefb9054f0bbcb318a6452a30df3776f133886d7d/googleapis-common-protos-1.6.0.tar.gz\n",
      "Requirement already satisfied: setuptools in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from protobuf>=3.6.1->tensorflow_datasets) (42.0.2.post20191203)\n",
      "Requirement already satisfied: certifi>=2017.4.17 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from requests>=2.19.0->tensorflow_datasets) (2019.11.28)\n",
      "Requirement already satisfied: chardet<3.1.0,>=3.0.2 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from requests>=2.19.0->tensorflow_datasets) (3.0.4)\n",
      "Requirement already satisfied: urllib3!=1.25.0,!=1.25.1,<1.26,>=1.21.1 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from requests>=2.19.0->tensorflow_datasets) (1.24.3)\n",
      "Requirement already satisfied: idna<2.9,>=2.5 in c:\\users\\jheaton\\miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages (from requests>=2.19.0->tensorflow_datasets) (2.8)\n",
      "Building wheels for collected packages: promise, dill, googleapis-common-protos\n",
      "  Building wheel for promise (setup.py): started\n",
      "  Building wheel for promise (setup.py): finished with status 'done'\n",
      "  Created wheel for promise: filename=promise-2.3-cp37-none-any.whl size=21500 sha256=45ca497494456f4971c99c6b3e5e4df9410bf5a2f634e93b02b6771ba9475c20\n",
      "  Stored in directory: C:\\Users\\jheaton\\AppData\\Local\\pip\\Cache\\wheels\\19\\49\\34\\c3c1e78bcb954c49e5ec0d31784fe63d14d427f316b12fbde9\n",
      "  Building wheel for dill (setup.py): started\n",
      "  Building wheel for dill (setup.py): finished with status 'done'\n",
      "  Created wheel for dill: filename=dill-0.3.1.1-cp37-none-any.whl size=78598 sha256=c65010bd933b8ee5e37109931467dad265b5053f88d714bb4aab373a2755e78b\n",
      "  Stored in directory: C:\\Users\\jheaton\\AppData\\Local\\pip\\Cache\\wheels\\59\\b1\\91\\f02e76c732915c4015ab4010f3015469866c1eb9b14058d8e7\n",
      "  Building wheel for googleapis-common-protos (setup.py): started\n",
      "  Building wheel for googleapis-common-protos (setup.py): finished with status 'done'\n",
      "  Created wheel for googleapis-common-protos: filename=googleapis_common_protos-1.6.0-cp37-none-any.whl size=77585 sha256=a6964bed5912b68bd2b1887a9c8d8b637a49af9aa029c23ebbae36905fafee92\n",
      "  Stored in directory: C:\\Users\\jheaton\\AppData\\Local\\pip\\Cache\\wheels\\9e\\3d\\a2\\1bec8bb7db80ab3216dbc33092bb7ccd0debfb8ba42b5668d5\n",
      "Successfully built promise dill googleapis-common-protos\n",
      "Installing collected packages: googleapis-common-protos, tensorflow-metadata, promise, dill, tensorflow-datasets\n",
      "Successfully installed dill-0.3.1.1 googleapis-common-protos-1.6.0 promise-2.3 tensorflow-datasets-1.3.2 tensorflow-metadata-0.15.2\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "!pip install tensorflow_datasets"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Load the Internet Movie DataBase (IMDB) reviews data set. This example is based on a TensorFlow example that you can [find here](https://colab.research.google.com/github/tensorflow/hub/blob/master/examples/colab/tf2_text_classification.ipynb#scrollTo=2ew7HTbPpCJH)."
   ]
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    {
     "name": "stdout",
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     "text": [
      "\u001b[1mDownloading and preparing dataset imdb_reviews (80.23 MiB) to C:\\Users\\jheaton\\tensorflow_datasets\\imdb_reviews\\plain_text\\0.1.0...\u001b[0m\n"
     ]
    },
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      "application/vnd.jupyter.widget-view+json": {
       "model_id": "af9747b784964b53a2cae554459b2b8f",
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      },
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', description='Dl Completed...', max=1.0, style=Progre…"
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      },
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', description='Dl Size...', max=1.0, style=ProgressSty…"
      ]
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      "\n",
      "\n",
      "\n",
      "\n"
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', max=1.0), HTML(value='')))"
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      "\r"
     ]
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=0.0, description='Shuffling...', max=10.0, style=ProgressStyle(description_…"
      ]
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     "name": "stdout",
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     "text": [
      "WARNING:tensorflow:From C:\\Users\\jheaton\\Miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages\\tensorflow_datasets\\core\\file_format_adapter.py:209: tf_record_iterator (from tensorflow.python.lib.io.tf_record) is deprecated and will be removed in a future version.\n",
      "Instructions for updating:\n",
      "Use eager execution and: \n",
      "`tf.data.TFRecordDataset(path)`\n"
     ]
    },
    {
     "name": "stderr",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "WARNING:tensorflow:From C:\\Users\\jheaton\\Miniconda3\\envs\\tensorflow\\lib\\site-packages\\tensorflow_datasets\\core\\file_format_adapter.py:209: tf_record_iterator (from tensorflow.python.lib.io.tf_record) is deprecated and will be removed in a future version.\n",
      "Instructions for updating:\n",
      "Use eager execution and: \n",
      "`tf.data.TFRecordDataset(path)`\n"
     ]
    },
    {
     "data": {
      "application/vnd.jupyter.widget-view+json": {
       "model_id": "",
       "version_major": 2,
       "version_minor": 0
      },
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', description='Reading...', max=1.0, style=ProgressSty…"
      ]
     },
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    },
    {
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      "application/vnd.jupyter.widget-view+json": {
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      },
      "text/plain": [
       "HBox(children=(FloatProgress(value=0.0, description='Writing...', max=2500.0, style=ProgressStyle(description_…"
      ]
     },
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    },
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      },
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', description='Reading...', max=1.0, style=ProgressSty…"
      ]
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=0.0, description='Writing...', max=2500.0, style=ProgressStyle(description_…"
      ]
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', description='Reading...', max=1.0, style=ProgressSty…"
      ]
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', description='Reading...', max=1.0, style=ProgressSty…"
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       "HBox(children=(FloatProgress(value=1.0, bar_style='info', description='Reading...', max=1.0, style=ProgressSty…"
      ]
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    "Load a pretrained embedding model called [gnews-swivel-20dim](https://tfhub.dev/google/tf2-preview/gnews-swivel-20dim/1).  This network was trained by Google on GNEWS data and can convert RAW text into vectors.  "
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    "Consider the following three movie reviews."
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       "array([b\"As a lifelong fan of Dickens, I have invariably been disappointed by adaptations of his novels.<br /><br />Although his works presented an extremely accurate re-telling of human life at every level in Victorian Britain, throughout them all was a pervasive thread of humour that could be both playful or sarcastic as the narrative dictated. In a way, he was a literary caricaturist and cartoonist. He could be serious and hilarious in the same sentence. He pricked pride, lampooned arrogance, celebrated modesty, and empathised with loneliness and poverty. It may be a clich\\xc3\\xa9, but he was a people's writer.<br /><br />And it is the comedy that is so often missing from his interpretations. At the time of writing, Oliver Twist is being dramatised in serial form on BBC television. All of the misery and cruelty is their, but non of the humour, irony, and savage lampoonery. The result is just a dark, dismal experience: the story penned by a journalist rather than a novelist. It's not really Dickens at all.<br /><br />'Oliver!', on the other hand, is much closer to the mark. The mockery of officialdom is perfectly interpreted, from the blustering beadle to the drunken magistrate. The classic stand-off between the beadle and Mr Brownlow, in which the law is described as 'a ass, a idiot' couldn't have been better done. Harry Secombe is an ideal choice.<br /><br />But the blinding cruelty is also there, the callous indifference of the state, the cold, hunger, poverty and loneliness are all presented just as surely as The Master would have wished.<br /><br />And then there is crime. Ron Moody is a treasure as the sleazy Jewish fence, whilst Oliver Reid has Bill Sykes to perfection.<br /><br />Perhaps not surprisingly, Lionel Bart - himself a Jew from London's east-end - takes a liberty with Fagin by re-interpreting him as a much more benign fellow than was Dicken's original. In the novel, he was utterly ruthless, sending some of his own boys to the gallows in order to protect himself (though he was also caught and hanged). Whereas in the movie, he is presented as something of a wayward father-figure, a sort of charitable thief rather than a corrupter of children, the latter being a long-standing anti-semitic sentiment. Otherwise, very few liberties are taken with Dickens's original. All of the most memorable elements are included. Just enough menace and violence is retained to ensure narrative fidelity whilst at the same time allowing for children' sensibilities. Nancy is still beaten to death, Bullseye narrowly escapes drowning, and Bill Sykes gets a faithfully graphic come-uppance.<br /><br />Every song is excellent, though they do incline towards schmaltz. Mark Lester mimes his wonderfully. Both his and my favourite scene is the one in which the world comes alive to 'who will buy'. It's schmaltzy, but it's Dickens through and through.<br /><br />I could go on. I could commend the wonderful set-pieces, the contrast of the rich and poor. There is top-quality acting from more British regulars than you could shake a stick at.<br /><br />I ought to give it 10 points, but I'm feeling more like Scrooge today. Soak it up with your Christmas dinner. No original has been better realised.\",\n",
       "       b\"Oh yeah! Jenna Jameson did it again! Yeah Baby! This movie rocks. It was one of the 1st movies i saw of her. And i have to say i feel in love with her, she was great in this move.<br /><br />Her performance was outstanding and what i liked the most was the scenery and the wardrobe it was amazing you can tell that they put a lot into the movie the girls cloth were amazing.<br /><br />I hope this comment helps and u can buy the movie, the storyline is awesome is very unique and i'm sure u are going to like it. Jenna amazed us once more and no wonder the movie won so many awards. Her make-up and wardrobe is very very sexy and the girls on girls scene is amazing. specially the one where she looks like an angel. It's a must see and i hope u share my interests\",\n",
       "       b\"I saw this film on True Movies (which automatically made me sceptical) but actually - it was good. Why? Not because of the amazing plot twists or breathtaking dialogue (of which there is little) but because actually, despite what people say I thought the film was accurate in it's depiction of teenagers dealing with pregnancy.<br /><br />It's NOT Dawson's Creek, they're not graceful, cool witty characters who breeze through sexuality with effortless knowledge. They're kids and they act like kids would. <br /><br />They're blunt, awkward and annoyingly confused about everything. Yes, this could be by accident and they could just be bad actors but I don't think so. Dermot Mulroney gives (when not trying to be cool) a very believable performance and I loved him for it. Patricia Arquette IS whiny and annoying, but she was pregnant and a teenagers? The combination of the two isn't exactly lavender on your pillow. The plot was VERY predictable and but so what? I believed them, his stress and inability to cope - her brave, yet slightly misguided attempts to bring them closer together. I think the characters, acted by anyone else, WOULD indeed have been annoying and unbelievable but they weren't. It reflects the surreality of the situation they're in, that he's sitting in class and she walks on campus with the baby. I felt angry at her for that, I felt angry at him for being such a child and for blaming her. I felt it all.<br /><br />In the end, I loved it and would recommend it.<br /><br />Watch out for the scene where Dermot Mulroney runs from the disastrous counselling session - career performance.\"],\n",
       "      dtype=object)"
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    "The embedding layer can convert each to 20-number vectors."
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       "<tf.Tensor: id=305, shape=(3, 20), dtype=float32, numpy=\n",
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       "        -1.9807833 ,  1.1315885 , -3.0339816 , -0.7604128 , -5.743445  ,\n",
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       "        -2.5163853 , -4.4002395 ,  1.905792  ,  4.7512794 , -0.40538004,\n",
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       "       [ 3.8508697 , -5.003031  ,  4.8700504 , -0.04324996, -5.893603  ,\n",
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       "         2.8202746 ,  6.2000837 , -3.5709393 , -4.564525  , -2.305622  ]],\n",
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    "We add additional layers to attempt to classify the movie reviews as either positive or negative."
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      "Model: \"sequential\"\n",
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      "=================================================================\n",
      "keras_layer (KerasLayer)     (None, 20)                400020    \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "dense (Dense)                (None, 16)                336       \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "dense_1 (Dense)              (None, 1)                 17        \n",
      "=================================================================\n",
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      "Trainable params: 400,373\n",
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      "_________________________________________________________________\n"
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    "model.add(hub_layer)\n",
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    "model.add(tf.keras.layers.Dense(1, activation='sigmoid'))\n",
    "\n",
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    "Split and train the neural network."
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    "history = model.fit(partial_x_train,\n",
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    "                    verbose=1)"
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    "Evaluate the neural network."
   ]
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      "\r",
      "25000/1 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- 5s 180us/sample - loss: 0.3812 - accuracy: 0.8548\n"
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     "output_type": "stream",
     "text": [
      "[0.433657779353857, 0.8548]\n"
     ]
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    "history_dict.keys()"
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    "plt.ylabel('Loss')\n",
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