PyTorch 神经网络

2024-02-20 14:02:04

PyTorch 神经网络

神经网络

神经网络可以通过 torch.nn 包来构建。

现在对于自动梯度(autograd)有一些了解，神经网络是基于自动梯度 (autograd)来定义一些模型。一个 nn.Module 包括层和一个方法 forward(input) 它会返回输出(output)。

例如，看一下数字图片识别的网络：

这是一个简单的前馈神经网络，它接收输入，让输入一个接着一个的通过一些层，最后给出输出。

一个典型的神经网络训练过程包括以下几点：

1.定义一个包含可训练参数的神经网络

2.迭代整个输入

3.通过神经网络处理输入

4.计算损失(loss)

5.反向传播梯度到神经网络的参数

6.更新网络的参数，典型的用一个简单的更新方法：weight = weight - learning_rate *gradient

定义神经网络

import torch

import torch.nn as nn

import torch.nn.functional as F

class Net(nn.Module):

def __init__(self):

super(Net, self).__init__()

# 1 input image channel, 6 output channels, 5x5 square convolution

# kernel

self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5)

self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)

# an affine operation: y = Wx + b

self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)

self.fc2 = nn.Linear(120, 84)

self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

def forward(self, x):

# Max pooling over a (2, 2) window

x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))

# If the size is a square you can only specify a single number

x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)

x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))

x = F.relu(self.fc1(x))

x = F.relu(self.fc2(x))

x = self.fc3(x)

return x

def num_flat_features(self, x):

size = x.size()[1:] # all dimensions except the batch dimension

num_features = 1

for s in size:

num_features *= s

return num_features

net = Net()

print(net)

输出：

Net(

(conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))

(conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))

(fc1): Linear(in_features=400, out_features=120, bias=True)

(fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)

(fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)

)

刚定义了一个前馈函数，然后反向传播函数被自动通过 autograd 定义了。可以使用任何张量操作在前馈函数上。

一个模型可训练的参数可以通过调用 net.parameters() 返回：

params = list(net.parameters())

print(len(params))

print(params[0].size()) # conv1's .weight

输出：

torch.Size([6, 1, 5, 5])

尝试随机生成一个 32x32 的输入。注意：期望的输入维度是 32x32 。为了使用这个网络在 MNIST 数据及上，需要把数据集中的图片维度修改为 32x32。

input = torch.randn(1, 1, 32, 32)

out = net(input)

print(out)

输出：

tensor([[-0.0233, 0.0159, -0.0249, 0.1413, 0.0663, 0.0297, -0.0940, -0.0135,

0.1003, -0.0559]], grad_fn=<AddmmBackward>)

把所有参数梯度缓存器置零，用随机的梯度来反向传播

net.zero_grad()

out.backward(torch.randn(1, 10))

在继续之前，让复习一下所有见过的类。

torch.Tensor - A multi-dimensional array with support for autograd operations like backward(). Also holds the gradient w.r.t. the tensor.

nn.Module - Neural network module. Convenient way of encapsulating parameters, with helpers for moving them to GPU, exporting, loading, etc.

nn.Parameter - A kind of Tensor, that is automatically registered as a parameter when assigned as an attribute to a Module.

autograd.Function - Implements forward and backward definitions of an autograd operation. Every Tensor operation, creates at least a single Function node, that connects to functions that created a Tensor and encodes its history.

在此，完成了：

1.定义一个神经网络

2.处理输入以及调用反向传播

还剩下：

1.计算损失值

2.更新网络中的权重

损失函数

一个损失函数需要一对输入：模型输出和目标，然后计算一个值来评估输出距离目标有多远。

有一些不同的损失函数在 nn 包中。一个简单的损失函数就是 nn.MSELoss ，这计算了均方误差。

例如：

output = net(input)

target = torch.randn(10) # a dummy target, for example

target = target.view(1, -1) # make it the same shape as output

criterion = nn.MSELoss()

loss = criterion(output, target)

print(loss)

输出：

tensor(1.3389, grad_fn=<MseLossBackward>)

现在，如果跟随损失到反向传播路径，可以使用它的 .grad_fn 属性，将会看到一个这样的计算图：

input -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> conv2d -> relu -> maxpool2d

-> view -> linear -> relu -> linear -> relu -> linear

-> MSELoss

-> loss

所以，当调用 loss.backward()，整个图都会微分，而且所有的在图中的requires_grad=True 的张量将会让他们的 grad 张量累计梯度。

为了演示，将跟随以下步骤来反向传播。

print(loss.grad_fn) # MSELoss

print(loss.grad_fn.next_functions[0][0]) # Linear

print(loss.grad_fn.next_functions[0][0].next_functions[0][0]) # ReLU

输出：

反向传播

为了实现反向传播损失，所有需要做的事情仅仅是使用 loss.backward()。需要清空现存的梯度，要不然帝都将会和现存的梯度累计到一起。

现在调用 loss.backward() ，然后看一下 con1 的偏置项在反向传播之前和之后的变化。

net.zero_grad() # zeroes the gradient buffers of all parameters

print('conv1.bias.grad before backward')

print(net.conv1.bias.grad)

loss.backward()

print('conv1.bias.grad after backward')

print(net.conv1.bias.grad)

输出：

conv1.bias.grad before backward

tensor([0., 0., 0., 0., 0., 0.])

conv1.bias.grad after backward

tensor([-0.0054, 0.0011, 0.0012, 0.0148, -0.0186, 0.0087])

现在看到了，如何使用损失函数。

唯一剩下的事情就是更新神经网络的参数。

更新神经网络参数：

最简单的更新规则就是随机梯度下降。

weight = weight - learning_rate * gradient

可以使用 python 来实现这个规则：

learning_rate = 0.01

for f in net.parameters():

f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)

尽管如此，如果是用神经网络，使用不同的更新规则，类似于 SGD, Nesterov-SGD, Adam, RMSProp, 等。为了让这可行，建立了一个小包：torch.optim 实现了所有的方法。使用非常的简单。

import torch.optim as optim

# create your optimizer

optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01)

# in your training loop:

optimizer.zero_grad() # zero the gradient buffers

output = net(input)

loss = criterion(output, target)

loss.backward()

optimizer.step() # Does the update

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