Pytorch 代码练习

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mb5fe1902d5617a 2021-10-06 21:48:00

文章标签 线性模型数据激活函数反向传播神经网络 文章分类 PyTorch 人工智能

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().

Pytorch 代码练习_神经网络

Pytorch 代码练习_神经网络_02

支持向量的内积、矩阵转置等，算术运算有广播机制

Pytorch 代码练习_线性模型_03

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

Pytorch 代码练习_数据_04

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：

Pytorch 代码练习_反向传播_05

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。

Pytorch 代码练习_激活函数_06

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

Pytorch 代码练习_反向传播_07

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

Pytorch 代码练习_反向传播_08

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()