Pytorch 代码练习

一、Pytorch:

一般定义数据使用torch.Tensor

1.torch有许多创建函数:如empty,ones, zeros, eye, arange, linspace, rand, randn, normal, uniform, randperm等,可以直接创建所需的张量、数字、矩阵等,具体使用方法可以百度

2.Tensor支持各种各样类型的数据:torch.float32, torch.float64, torch.float16, torch.uint8, torch.int8, torch.int16, torch.int32, torch.int64,并使用dtype改变数据类型。

 

以下是一些运行代码和截图:

import torch
# 可以是一个数
x = torch.tensor(666)
print(x)
# 可以是一维数组(向量)
x = torch.tensor([1,2,3,4,5,6])
print(x)
# 可以是二维数组(矩阵)
x = torch.ones(2,3)
print(x)
# 可以是任意维度的数组(张量)
x = torch.ones(2,3,4)
print(x)
# 创建一个空张量
x = torch.empty(5,3)
print(x)
# 创建一个随机初始化的张量
x = torch.rand(5,3)
print(x)
# 创建一个全0的张量,里面的数据类型为 long
x = torch.zeros(5,3,dtype=torch.long)
print(x)
# 基于现有的tensor,创建一个新tensor,
# 从而可以利用原有的tensor的dtype,device,size之类的属性信息
y = x.new_ones(5,3)   #tensor new_* 方法,利用原来tensor的dtype,device
print(y)
z = torch.randn_like(x, dtype=torch.float)    # 利用原来的tensor的大小,但是重新定义了dtype
print(z)

警告:

torch.tensor() 总是拷贝 data. 如果你有一个 Tensor data 并且仅仅想改变它的 requires_grad 属性, 可用 requires_grad_() or detach() 来避免拷贝. 如果你有一个 numpy 数组并且想避免拷贝, 请使用 torch.as_tensor().

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支持向量的内积、矩阵转置等,算术运算有广播机制

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Tensor可以利用randn()函数生成均值为0,方差为1的随机数,并利用matlabplotlib的库函数来生成图像

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tensor的cat()函数可以实现两个矩阵在0轴方向(Y)或1轴方向(X)的拼接,并得到新的矩阵

 

二.螺旋数据分类:

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首先是下载plot_lib.py,再import所需的函数和库

运行结果:device: cuda:0

初始化 X 和 Y。 X 可以理解为特征矩阵,Y可以理解为样本标签。 结合代码可以看到,X的为一个 NxC 行, D 列的矩阵。C 类样本,每类样本是 N个,所以是 N*C 行。每个样本的特征维度是2,所以是 2列。

在 python 中,调用 zeros 类似的函数,第一个参数是 y方向的,即矩阵的行;第二个参数是 x方向的,即矩阵的列。

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1.构建线性模型分类

learning_rate = 1e-3
lambda_l2 = 1e-5
​
# nn 包用来创建线性模型
# 每一个线性模型都包含 weight 和 bias
model = nn.Sequential(
    nn.Linear(D, H),
    nn.Linear(H, C)
)
model.to(device) # 把模型放到GPU上
​
# nn 包含多种不同的损失函数,这里使用的是交叉熵(cross entropy loss)损失函数
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
​
# 这里使用 optim 包进行随机梯度下降(stochastic gradient descent)优化
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=lambda_l2)
​
# 开始训练
for t in range(1000):
    # 把数据输入模型,得到预测结果
    y_pred = model(X)
    # 计算损失和准确率
    loss = criterion(y_pred, Y)
    score, predicted = torch.max(y_pred, 1)
    acc = (Y == predicted).sum().float() / len(Y)
    print('[EPOCH]: %i, [LOSS]: %.6f, [ACCURACY]: %.3f' % (t, loss.item(), acc))
    display.clear_output(wait=True)
​
    # 反向传播前把梯度置 0 
    optimizer.zero_grad()
    # 反向传播优化 
    loss.backward()
    # 更新全部参数
    optimizer.step()

 

运行结果:[EPOCH]: 999, [LOSS]: 0.861541, [ACCURACY]: 0.504

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使用 print(y_pred.shape) 可以看到模型的预测结果,为[3000, 3]的矩阵。每个样本的预测结果为3个,保存在 y_pred 的一行里。值最大的一个,即为预测该样本属于的类别

score, predicted = torch.max(y_pred, 1) 是沿着第二个方向(即X方向)提取最大值。最大的那个值存在 score 中,所在的位置(即第几列的最大)保存在 predicted 中。下面代码把第10行的情况输出,供解释说明

此外,大家可以看到,每一次反向传播前,都要把梯度清零

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print(y_pred.shape)
print(y_pred[10, :])
print(score[10])
print(predicted[10])
# Plot trained model
print(model)
plot_model(X, Y, model)

 

上面使用 print(model) 把模型输出,可以看到有两层:

  • 第一层输入为 2(因为特征维度为主2),输出为 100;

  • 第二层输入为 100 (上一层的输出),输出为 3(类别数)

从上面图示可以看出,线性模型的准确率最高只能达到 50% 左右,对于这样复杂的一个数据分布,线性模型难以实现准确分类。

2.构建两层神经网络分类

添加一层神经网络,利用 ReLU作为 激活函数

learning_rate = 1e-3
lambda_l2 = 1e-5
​
# 这里可以看到,和上面模型不同的是,在两层之间加入了一个 ReLU 激活函数
model = nn.Sequential(
    nn.Linear(D, H),
    nn.ReLU(),
    nn.Linear(H, C)
)
model.to(device)
​
# 下面的代码和之前是完全一样的,这里不过多叙述
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=lambda_l2) # built-in L2
​
# 训练模型,和之前的代码是完全一样的
for t in range(1000):
    y_pred = model(X)
    loss = criterion(y_pred, Y)
    score, predicted = torch.max(y_pred, 1)
    acc = ((Y == predicted).sum().float() / len(Y))
    print("[EPOCH]: %i, [LOSS]: %.6f, [ACCURACY]: %.3f" % (t, loss.item(), acc))
    display.clear_output(wait=True)
    
    # zero the gradients before running the backward pass.
    optimizer.zero_grad()
    # Backward pass to compute the gradient
    loss.backward()
    # Update params
    optimizer.step()

 

运行结果::[EPOCH]: 999, [LOSS]: 0.213117, [ACCURACY]: 0.926

 

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ReLU函数速度快精度高,逐渐取代了Sigmoid函数。在两层神经网络里加入 ReLU 激活函数以后,分类的准确率得到了显著提高,

 

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