对pytorch梯度的理解

文章目录

        • 亚导数
        • 将导数扩展到向量
        • 自动求导的实现
        • 梯度清零
        • 深度学习中的求导
        • 将计算移动到计算图之外
        • detach直观理解
        • retain_graph=True

亚导数

  • 将导数扩展到不可微的函数

举个例子, 假设是 y = ∣ x ∣ y=|x| y=x,在 x = 0 x=0 x=0时的导数不存在, 但是我们可以假设其存在, 令其在 − 1 , 1 -1, 1 1,1之间

对pytorch梯度的理解_第1张图片
对pytorch梯度的理解_第2张图片
又或者是 y = m a x ( x , 0 ) y=max(x, 0) y=max(x,0) 这个函数, 如下:
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将导数扩展到向量

有这么几种情况

  • y是标量,x是向量, 求导是向量
  • y是向量, x是标量, 求导是向量
  • y是向量, x是向量, 求导是矩阵
  1. 标量关于列向量的导数是行向量

对pytorch梯度的理解_第4张图片

例如下图:
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  1. y是列向量, x是标量,求导是列向量

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  1. y是向量, x是向量, 求导是矩阵

对pytorch梯度的理解_第7张图片

  • 怎么理解呢? 可以先从y拆解, 因为y的每个元素是标量对x向量求导得到行向量, 对所有y的元素求导后再排列就是矩阵了

自动求导的实现

假设我们想对函数 y = 2 X T X y=2X^TX y=2XTX 关于列向量X求导

假设X:

import torch
x = torch.arange(4.0)
>> tensor([0., 1., 2., 3.])

在计算y关于X的梯度之前, 我们需要一个地方来存储梯度

x.requires_grad_(True)  # 等价于x=torch.arange(4.0, requires_grad=True)
x.grad # 默认是None
y = 2 * torch.dot(x,x)
print(y)

>>
tensor(28., grad_fn=<MulBackward0>)
  • 通过调用反向传播自动计算y关于x每个分量的梯度, 因为y是标量
y.backward()
print(x.gard)

>> tensor([ 0.,  4.,  8., 12.])  # 这和4*x是一致的

梯度清零

在默认情况下, pytorch会累积梯度, 需要清除之前的值

x.grad.zero_()
y = x.sum()
y.backward()
print(x.grad)

>> tensor([1., 1., 1., 1.])  

不清零的例子

import torch

x = torch.arange(4.0, requires_grad=True)
y = 2 * torch.dot(x, x)
y.backward()
print(x.grad)

y = x.sum()
y.backward()
print(x.grad)

>> tensor([ 0.,  4.,  8., 12.])
>> tensor([ 1.,  5.,  9., 13.])

深度学习中的求导

  • 深度学习中, 我们的目的不是计算微分矩阵, 而是计算批量中每个样本单独计算的偏导数之和
x.grad.zero_()
y = x * x
y.sum().backward()
print(x.grad)
  • 上面可以看出大部分时间我们是对标量进行求导, 而不是一个向量

将计算移动到计算图之外

x.grad.zero_()  # 原来是None的时候会报错, 默认一开始x.grad是None
y = x * x # y是关于x函数
u = y.detach()  # 这里相当于把u变为一个单独的常量,导数和x没有关系
# 然后对应u就是一个独立的常量, 值与x有关
z = u * x # 这里对应就是一个常数乘x

z.sum().backward() # 对应的求导就是常数u
x.grad == u

>>  tensor([True, True, True, True])
  • 加深理解
import torch
x = torch.arange(4.0, requires_grad=True)
print(x)

y = x * x # y是关于x函数
u = y.detach()  # 这里相当于把u变为一个单独的常量,导数和x没有关系
y = torch.sum(y)  # y是x的平方和
y.backward()
print(x.grad)
x.grad.zero_()



z = u * x # 这里对应就是一个常数乘x
z.sum().backward() # 对应的求导就是常数u, 也就是x的哈达玛积

print(x.grad)

detach直观理解

import torch
x = torch.tensor(2.0, requires_grad=True)
y = torch.tensor(2.0, requires_grad=True)

output1 = x**2
output2 = y**2

output3 = 0.5*output1+0.5*output2.detach()
output4 = 0.5*output1.detach()+0.5*output2


output3.backward()
print(x.grad)
print(y.grad)

output4.backward()
print(x.grad)
print(y.grad)


retain_graph=True

import torch
x = torch.tensor([1., 2.], requires_grad=True)
y = torch.dot(x, x)
y.backward(retain_graph=True)
y.backward()
print(x.grad)

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