神经网络¶

1. 概述¶

使用torch.nn包构建神经网络

nn依赖于autograd来定义模型并对其进行微分

nn.Module包含层，以及返回output的方法forward(input)

以下是对数字图像进行分类的网络：

这是一个简单的前馈网络。它获取输入，将其一层又一层地馈入，然后最终给出输出

神经网络的典型训练过程如下：

定义具有一些可学习参数（或权重）的神经网络
遍历输入数据集
通过网络处理输入
计算损失（输出正确的距离有多远）
将梯度传播回网络参数
通常使用简单的更新规则来更新网络的权重：weight = weight - learning_rate * gradient

2. 定义网络¶

In [1]:

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)  # 5*5 from image dimension

        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 specify with a single number

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

        x = torch.flatten(x, 1) # flatten all dimensions except the batch dimension

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

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

        x = self.fc3(x)

        return x

net = Net()

print(net)

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)

)

只需要定义forward函数，就可以使用autograd为您自动定义backward函数（计算梯度）。您可以在forward函数中使用任何张量操作

模型的可学习参数由net.parameters()返回

In [2]:

params = list(net.parameters())

print(len(params))

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

10

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

尝试一个32x32随机输入

In [3]:

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

out = net(input)

print(out)

tensor([[-0.0201, -0.0048,  0.0562,  0.0409, -0.0155,  0.0404,  0.1170,  0.0380,

         -0.0494,  0.0060]], grad_fn=<AddmmBackward0>)

使用随机梯度将所有参数和反向传播的梯度缓冲区归零：

In [4]:

net.zero_grad()

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

注意：

torch.nn仅支持小批量。整个torch.nn包仅支持作为微型样本而不是单个样本的输入

例如，nn.Conv2d将采用nSamples x nChannels x Height x Width的 4D 张量

如果您只有一个样本，只需使用input.unsqueeze(0)添加一个假批量尺寸

回顾：

torch.Tensor-一个多维数组，支持诸如backward()的自动微分操作。同样，保持相对于张量的梯度
nn.Module-神经网络模块。封装参数的便捷方法，并带有将其移动到 GPU，导出，加载等的帮助器
nn.Parameter-一种张量，即将其分配为Module的属性时，自动注册为参数
autograd.Function-实现自动微分操作的正向和反向定义。每个Tensor操作都会创建至少一个Function节点，该节点连接到创建Tensor的函数，并且编码其历史记录

3. 损失函数¶

损失函数采用一对（输出，目标）输入，并计算一个值，该值估计输出与目标之间的距离

nn包下有几种不同的损失函数。一个简单的损失是：nn.MSELoss，它计算输入和目标之间的均方误差

In [5]:

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)

tensor(0.7557, grad_fn=<MseLossBackward0>)

现在，如果使用.grad_fn属性向后跟随loss，将看到一个计算图，如下所示：

input -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> view -> linear -> relu -> linear -> relu -> linear -> MSELoss -> loss

因此，当我们调用loss.backward()时，整个图将被微分。损失，并且图中具有requires_grad=True的所有张量将随梯度累积其.grad张量。

为了说明，让我们向后走几步：

In [6]:

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

<MseLossBackward0 object at 0x7f9b58584d30>

<AddmmBackward0 object at 0x7f9b58574ba8>

<AccumulateGrad object at 0x7f9b58584d30>

4. 反向传播¶

要反向传播误差，我们要做的只是对loss.backward()。不过，需要清除现有的梯度，否则梯度将累积到现有的梯度中

现在，我们将其称为loss.backward()，然后看一下向后前后conv1的偏差梯度

In [7]:

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)

conv1.bias.grad before backward

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

conv1.bias.grad after backward

tensor([ 0.0066, -0.0124, -0.0028,  0.0020, -0.0132,  0.0006])

5. 更新权重¶

实践中使用的最简单的更新规则是随机梯度下降（SGD）：

weight = weight - learning_rate * gradient

In [8]:

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

注意：使用optimizer.zero_grad()将梯度缓冲区手动设置为零。这是因为如反向传播部分中所述累积了梯度

6.参考资料¶

PyTorch中文文档——神经网络

巴特西

pytorch学习笔记三之神经网络