Datawhale——Pytorch基础(二)

设立计算图并自动计算

任务

1. numpy和pytorch实现梯度下降法
2. 设定初始值
3. 求取梯度
4. 在梯度方向上进行参数的更新
5. numpy和pytorch实现线性回归
6. pytorch实现一个简单的神经网络

参考资料

新手必备 | 史上最全的PyTorch学习资源汇总

快速上手笔记，PyTorch模型训练实用教程（附代码）

PyTorch学习笔记

《深度学习框架PyTorch：入门与实践》的对应代码

PyTorch 中文文档

作业

1. numpy和pytorch实现梯度下降法

• numpy实现梯度下降

x = 1
learning_rate = 0.0001 # 设置学习率
epochs = 10 # 设置迭代次数
y = lambda x : x**2 + 2*x + 1 #设置一个简单的抛物线函数

for epoch in range(epochs):
    dx = 2*x + 2 # y的导数
    x = x - learning_rate *dx #梯度下更新
print(x)

0.9960035980806718

• Pytorch实现梯度下降

import torch # 导入PyTorch包
from torch.autograd import Variable #调用自动求导的函数类
x = torch.Tensor([1])# 定义一个torch.float tensor,相当于一个np.array 其中[1]只是一个列表，
#torch.Tensor 就是建立一个张量，也就是和numpy中的矩阵一样，
#numpy.array有的运算torch.tensor都有

# x = Variable(x,requires_grade = Ture) # 定义一个w,w是一个variable建立一个计算图的起点

print("grad",x.grad,"data",x.data) # grad和data是variable的两个属性增加了一个gradient部分，
# x.data就是前面的x的tensor

# Pytorch的本质就是建立一个计算图，自动求导
learning_rate = 0.00001
epochs = 10
for epoch in range(epochs):
    # 设置一个计算图，建立一个函数，以x为变量
    y = x**2 + 2*x + 1
    # variable能够自动求导
    y.requires_grad = True
    y.backward()# 对y做反向求导 反向求导之后就有grad
    
    print("grad",y.grad)
    # 在梯度中，进行参数更新
    x.data = x.data - learning_rate * y.grad
    # 在Pytorch中梯度不清零就会积累
    y.grad.data.zero_()
print(x.data)

numpy和pytorch实现线性回归

• numpy实现线性回归

import numpy as np#导入包

# 建立自己的数据
x_data = np.array([1,2,3])
y_data = np.array([2,4,6]) 
epochs = 1000
lr = 0.001
w = 0
cost = []
for epoch in range(epochs):
    # 计算梯度
    y_hat = x_data * w #设计的模型，用x预测y
    loss = np.average((y_hat - y_data) ** 2)# 最小二乘法求loss
    cost.append(loss)
    dw = -2 * (y_data - y_hat) @ x_data.T/(x_data.shape[0])
    # 参数更新
    w = w - lr * dw
    
print(w)

1.9998307298556592

• pytorch实现线性回归

import torch 
import torch.nn as nn
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 设置超参数
input_size = 1
output_size = 1
num_epochs = 60
learning_rate = 0.001

# 初始化数据集
x_train = np.array([[3.3], [4.4], [5.5], [6.71], [6.93], [4.168],
                    [9.779], [6.182], [7.59], [2.167], [7.042],
                    [10.791], [5.313], [7.997], [3.1]], dtype=np.float32)
y_train = np.array([[1.7], [2.76], [2.09], [3.19], [1.694], [1.573],
                    [3.366], [2.596], [2.53], [1.221], [2.827],
                    [3.465], [1.65], [2.904], [1.3]], dtype=np.float32)
# 初始化线性模型

model = nn.Linear(input_size,output_size)
# 初始化损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr =learning_rate)
# 训练模型
for epoch in range(num_epochs):
    # 转换np.array为tensor
    inputs = torch.from_numpy(x_train)
    targets = torch.from_numpy(y_train)
    
    
    outputs = model(inputs)
    loss = criterion(outputs,targets)
    
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()
    
    if (epoch + 1 ) % 5 == 0:
        print("Epoch[{}/{}],loss:{:.4f}".format(epoch + 1, num_epochs,loss.item()))
# Plot the graph
predicted = model(torch.from_numpy(x_train)).detach().numpy()
plt.plot(x_train, y_train, 'ro', label='Original data')
plt.plot(x_train, predicted, label='Fitted line')
plt.legend()
plt.show()

# Save the model checkpoint
torch.save(model.state_dict(), 'linear.ckpt')

Epoch[5/60],loss:0.2663
Epoch[10/60],loss:0.2087
Epoch[15/60],loss:0.1854
Epoch[20/60],loss:0.1759
Epoch[25/60],loss:0.1721
Epoch[30/60],loss:0.1705
Epoch[35/60],loss:0.1699
Epoch[40/60],loss:0.1696
Epoch[45/60],loss:0.1695
Epoch[50/60],loss:0.1695
Epoch[55/60],loss:0.1695
Epoch[60/60],loss:0.1695

• pytorch实现一个简单的神经网络

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
 
dtype = torch.float
device = torch.device("cpu")
 
# N batch_size; D_in 输入维度;
# H隐藏层维度; D_out 输出维度.
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
 
# 生成数据.

x = torch.randn(N, D_in, device=device, dtype=dtype)
y = torch.randn(N, D_out, device=device, dtype=dtype)
 
# 生成权重.

w1 = torch.randn(D_in, H, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
w2 = torch.randn(H, D_out, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
 
learning_rate = 1e-6
for t in range(500):

    y_pred = x.mm(w1).clamp(min=0).mm(w2)

    loss = (y_pred - y).pow(2).sum()
    print(t, loss.item())
    #利用backward命令进行向后传播，loss.backward()将会计算所有与loss有关且requires_grad=True的变量的梯度
    #在本例中将会计算loss对w1和w2的梯度，并可由w1.grad和w2.grad获取
    loss.backward()
    #w1和w2都是requires_grad=Ture,但是在更新w1和w2的时候我们并不希望计算这一步骤的梯度
    #因此在更新w时，要用到torch.no_grad()
    #这一步也可以通过torch.optim.SGD自动实现
    with torch.no_grad():
        w1 -= learning_rate * w1.grad
        w2 -= learning_rate * w2.grad
        
        # 在更新完权重后，将梯度值进行重置
        w1.grad.zero_()
        w2.grad.zero_()

0 30793478.0
1 24614226.0
2 19491514.0
3 14447308.0
4 10014916.0
...