NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题

目录

​4.3 自动梯度计算

    pytorch中的相应内容是什么?请简要介绍。

         4.3.1 利用预定义算子重新实现前馈神经网络

    1. 使用pytorch的预定义算子来重新实现二分类任务。(必做)

    2. 增加一个3个神经元的隐藏层,再次实现二分类,并与1做对比。(必做)

4.3.2 完善Runner类

4.3.3 模型训练

4.3.4 性能评价

附加代码:

【思考题】自定义梯度计算和自动梯度计算:从计算性能、计算结果等多方面比较,谈谈自己的看法。

4.4 优化问题

4.4.1 参数初始化

​4.4.2 梯度消失问题

4.4.3 死亡ReLU问题

参考博客:

心得体会:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第1张图片4.3 自动梯度计算

虽然我们能够通过模块化的方式比较好地对神经网络进行组装,但是每个模块的梯度计算过程仍然十分繁琐且容易出错。在深度学习框架中,已经封装了自动梯度计算的功能,我们只需要聚焦模型架构,不再需要耗费精力进行计算梯度。

飞桨提供了paddle.nn.Layer类,来方便快速的实现自己的层和模型。模型和层都可以基于paddle.nn.Layer扩充实现,模型只是一种特殊的层。

继承了paddle.nn.Layer类的算子中,可以在内部直接调用其它继承paddle.nn.Layer类的算子,飞桨框架会自动识别算子中内嵌的paddle.nn.Layer类算子,并自动计算它们的梯度,并在优化时更新它们的参数。

pytorch中的相应内容是什么?请简要介绍。

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第2张图片

paddle.nn.Layer类对应于torch.nn.Module,代码如下:

class Module(object):
    def __init__(self):
    def forward(self, *input):
 
    def add_module(self, name, module):
    def cuda(self, device=None):
    def cpu(self):
    def __call__(self, *input, **kwargs):
    def parameters(self, recurse=True):
    def named_parameters(self, prefix='', recurse=True):
    def children(self):
    def named_children(self):
    def modules(self):  
    def named_modules(self, memo=None, prefix=''):
    def train(self, mode=True):
    def eval(self):
    def zero_grad(self):
    def __repr__(self):
    def __dir__(self):
'''
有一部分没有完全列出来
'''

我们在定义自已的网络的时候,需要继承nn.Module类,并重新实现构造函数__init__构造函数和forward这两个方法。但有一些注意技巧:

(1)一般把网络中具有可学习参数的层(如全连接层、卷积层等)放在构造函数__init__()中,当然我也可以吧不具有参数的层也放在里面;

(2)一般把不具有可学习参数的层(如ReLU、dropout、BatchNormanation层)可放在构造函数中,也可不放在构造函数中,如果不放在构造函数__init__里面,则在forward方法里面可以使用nn.functional来代替
(3)forward方法是必须要重写的,它是实现模型的功能,实现各个层之间的连接关系的核心。

4.3.1 利用预定义算子重新实现前馈神经网络

1. 使用pytorch的预定义算子来重新实现二分类任务。(必做)

主要使用到的预定义算子为torch.nn.Linear

class paddle.nn.Linear(in_features, out_features, weight_attr=None, bias_attr=None, name=None)

torch.nn.Linear算子可以接受一个形状为[batch_size,∗,in_features]的输入张量,其中"∗"表示张量中可以有任意的其它额外维度,并计算它与形状为[in_features, out_features]的权重矩阵的乘积,然后生成形状为[batch_size,∗,out_features]的输出张量。 torch.nn.Linear算子默认有偏置参数,可以通过bias_attr=False设置不带偏置。

具体代码如下:

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch


class Model_MLP_L2_V2(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(Model_MLP_L2_V2, self).__init__()
        # 使用'torch.nn.Linear'定义线性层。
        # 其中第一个参数(in_features)为线性层输入维度;第二个参数(out_features)为线性层输出维度
        # weight_attr为权重参数属性,这里使用'torch.nn.initializer.Normal'进行随机高斯分布初始化
        # bias_attr为偏置参数属性,这里使用'torch.nn.initializer.Constant'进行常量初始化
        self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, output_size)
        # 使用'torch.nn.functional.sigmoid'定义 Logistic 激活函数
        self.act_fn = F.sigmoid

    # 前向计算
    def forward(self, inputs):
        z1 = self.fc1(inputs)
        a1 = self.act_fn(z1)
        z2 = self.fc2(a1)
        a2 = self.act_fn(z2)
        return a2

2. 增加一个3个神经元的隐藏层,再次实现二分类,并与1做对比。(必做)

Model_MLP_L2_V2函数代码如下:

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch

class Model_MLP_L2_V2(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size,hidden_size_, output_size):
        super(Model_MLP_L2_V2, self).__init__()
        # 使用'torch.nn.Linear'定义线性层。
        # 其中第一个参数(in_features)为线性层输入维度;第二个参数(out_features)为线性层输出维度
        # weight_attr为权重参数属性,这里使用'torch.nn.initializer.Normal'进行随机高斯分布初始化
        # bias_attr为偏置参数属性,这里使用'torch.nn.initializer.Constant'进行常量初始化
        self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, hidden_size_)
        self.fc3 = nn.Linear(hidden_size_,output_size)
        # 使用'torch.nn.functional.sigmoid'定义 Logistic 激活函数
        self.act_fn = F.sigmoid
        
    # 前向计算
    def forward(self, inputs):
        z1 = self.fc1(inputs)
        a1 = self.act_fn(z1)
        z2 = self.fc2(a1)
        a2 = self.act_fn(z2)
        z3 = self.fc3(a2)
        a3 = self.act_fn(z3)
        return a3

训练代码如下:

# 设置模型
input_size = 2
hidden_size = 5
hidden_size_ = 3
output_size = 1
model = Model_MLP_L2_V2(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size,hidden_size_ = hidden_size_, output_size=output_size)

# 设置损失函数
loss_fn = F.binary_cross_entropy
# 设置优化器
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.2)

# 设置评价指标
def accuracy(preds, labels):

    # 判断是二分类任务还是多分类任务,preds.shape[1]=1时为二分类任务,preds.shape[1]>1时为多分类任务
    if preds.shape[1] == 1:
        # 二分类时,判断每个概率值是否大于0.5,当大于0.5时,类别为1,否则类别为0
        # 使用'torch.can_cast'将preds的数据类型转换为float32类型
        preds = (preds>=0.5).to(torch.float32)
    else:
        # 多分类时,使用'torch.argmax'计算最大元素索引作为类别
        preds = torch.argmax(preds,dim=1).int()
    return torch.mean((preds == labels).float())
metric = accuracy

# 其他参数
epoch_num = 1000
saved_path = 'best_model.pt'

# 实例化RunnerV2类,并传入训练配置
runner = RunnerV2_2(model, optimizer, metric, loss_fn)

runner.train([X_train, y_train], [X_dev, y_dev], num_epochs=epoch_num, log_epochs=50, save_path="best_model.pt")
plot(runner, 'fw-acc.pdf')

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第3张图片

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第4张图片

与1相比,其准确率提高了。 

4.3.2 完善Runner类

基于上一节实现的 RunnerV2_1 类,本节的 RunnerV2_2 类在训练过程中使用自动梯度计算;模型保存时,使用state_dict方法获取模型参数;模型加载时,使用set_state_dict方法加载模型参数.

具体代码如下:

class RunnerV2_2(object):
    def __init__(self, model, optimizer, metric, loss_fn, **kwargs):
        self.model = model
        self.optimizer = optimizer
        self.loss_fn = loss_fn
        self.metric = metric

        # 记录训练过程中的评估指标变化情况
        self.train_scores = []
        self.dev_scores = []

        # 记录训练过程中的评价指标变化情况
        self.train_loss = []
        self.dev_loss = []

    def train(self, train_set, dev_set, **kwargs):
        # 将模型切换为训练模式
        self.model.train()

        # 传入训练轮数,如果没有传入值则默认为0
        num_epochs = kwargs.get("num_epochs", 0)
        # 传入log打印频率,如果没有传入值则默认为100
        log_epochs = kwargs.get("log_epochs", 100)
        # 传入模型保存路径,如果没有传入值则默认为"best_model.pdparams"
        save_path = kwargs.get("save_path", "best_model.pt")

        # log打印函数,如果没有传入则默认为"None"
        custom_print_log = kwargs.get("custom_print_log", None) 
        
        # 记录全局最优指标
        best_score = 0
        # 进行num_epochs轮训练
        for epoch in range(num_epochs):
            X, y = train_set
            # 获取模型预测
            logits = self.model(X)
            # 计算交叉熵损失
            trn_loss = self.loss_fn(logits, y)
            self.train_loss.append(trn_loss.item())
            # 计算评估指标
            trn_score = self.metric(logits, y).item()
            self.train_scores.append(trn_score)

            # 自动计算参数梯度
            trn_loss.backward()
            if custom_print_log is not None:
                # 打印每一层的梯度
                custom_print_log(self)

            # 参数更新
            self.optimizer.step()
            # 清空梯度
            self.optimizer.zero_grad()

            dev_score, dev_loss = self.evaluate(dev_set)
            # 如果当前指标为最优指标,保存该模型
            if dev_score > best_score:
                self.save_model(save_path)
                print(f"[Evaluate] best accuracy performence has been updated: {best_score:.5f} --> {dev_score:.5f}")
                best_score = dev_score

            if log_epochs and epoch % log_epochs == 0:
                print(f"[Train] epoch: {epoch}/{num_epochs}, loss: {trn_loss.item()}")
                
    # 模型评估阶段,使用'torch.no_grad()'控制不计算和存储梯度
    @torch.no_grad()
    def evaluate(self, data_set):
        # 将模型切换为评估模式
        self.model.eval()

        X, y = data_set
        # 计算模型输出
        logits = self.model(X)
        # 计算损失函数
        loss = self.loss_fn(logits, y).item()
        self.dev_loss.append(loss)
        # 计算评估指标
        score = self.metric(logits, y).item()
        self.dev_scores.append(score)
        return score, loss
    
    # 模型测试阶段,使用'torch.no_grad()'控制不计算和存储梯度
    @torch.no_grad()
    def predict(self, X):
        # 将模型切换为评估模式
        self.model.eval()
        return self.model(X)

    # 使用'model.state_dict()'获取模型参数,并进行保存
    def save_model(self, saved_path):
        torch.save(self.model.state_dict(), saved_path)

    # 使用'model.set_state_dict'加载模型参数
    def load_model(self, model_path):
        state_dict = torch.load(model_path)
        self.model.set_state_dict(state_dict)

4.3.3 模型训练

实例化RunnerV2类,并传入训练配置,代码实现如下:

# 设置模型
input_size = 2
hidden_size = 5
output_size = 1
model = Model_MLP_L2_V4(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size, output_size=output_size)

# 设置损失函数
loss_fn = F.binary_cross_entropy

# 设置优化器
learning_rate = 0.2 #5e-2
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=learning_rate)

# 设置评价指标
metric = accuracy

# 其他参数
epoch = 2000
saved_path = 'best_model.pdparams'

# 实例化RunnerV2类,并传入训练配置
runner = RunnerV2_2(model, optimizer, metric, loss_fn)

runner.train([X_train, y_train], [X_dev, y_dev], num_epochs = epoch, log_epochs=50, save_path="best_model.pdparams")

plot(runner, 'fw-acc.pdf')

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第5张图片

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第6张图片

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第7张图片 

由运行结果可知,损失下降到了0.26042,而精度上升到了0.9125。

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第8张图片

由图可知,训练集和测试集的损失都在下降,而精度都在上升。 

4.3.4 性能评价

使用测试数据对训练完成后的最优模型进行评价,观察模型在测试集上的准确率以及loss情况。代码如下:

# 模型评价
runner.load_model("best_model.pdparams")
score, loss = runner.evaluate([X_test, y_test])
print("[Test] score/loss: {:.4f}/{:.4f}".format(score, loss))

运行结果:

从结果来看,模型在测试集上取得了较高的准确率。

附加代码:

make_moons函数的代码如下: 

import torch
# 新增make_moons函数
def make_moons(n_samples=1000, shuffle=True, noise=None):
    n_samples_out = n_samples // 2
    n_samples_in = n_samples - n_samples_out
    outer_circ_x = torch.cos(torch.linspace(0, math.pi, n_samples_out))
    outer_circ_y = torch.sin(torch.linspace(0, math.pi, n_samples_out))
    inner_circ_x = 1 - torch.cos(torch.linspace(0, math.pi, n_samples_in))
    inner_circ_y = 0.5 - torch.sin(torch.linspace(0, math.pi, n_samples_in))
    X = torch.stack(
        [torch.cat([outer_circ_x, inner_circ_x]),
         torch.cat([outer_circ_y, inner_circ_y])],
         axis=1
    )
    y = torch.cat(
        [torch.zeros([n_samples_out]), torch.ones([n_samples_in])]
    )
    if shuffle:
        idx = torch.randperm(X.shape[0])
        X = X[idx]
        y = y[idx]
    if noise is not None:
        X += np.random.normal(0.0, noise, X.shape)

    return X, y

 plot函数的代码如下:

import matplotlib.pyplot as plt
def plot(runner, fig_name):
    plt.figure(figsize=(10, 5))
    epochs = [i for i in range(len(runner.train_scores))]

    plt.subplot(1, 2, 1)
    plt.plot(epochs, runner.train_loss, color='#e4007f', label="Train loss")
    plt.plot(epochs, runner.dev_loss, color='#f19ec2', linestyle='--', label="Dev loss")
    # 绘制坐标轴和图例
    plt.ylabel("loss", fontsize='large')
    plt.xlabel("epoch", fontsize='large')
    plt.legend(loc='upper right', fontsize='x-large')

    plt.subplot(1, 2, 2)
    plt.plot(epochs, runner.train_scores, color='#e4007f', label="Train accuracy")
    plt.plot(epochs, runner.dev_scores, color='#f19ec2', linestyle='--', label="Dev accuracy")
    # 绘制坐标轴和图例
    plt.ylabel("score", fontsize='large')
    plt.xlabel("epoch", fontsize='large')
    plt.legend(loc='lower right', fontsize='x-large')
    plt.savefig(fig_name)
    plt.show()

accuracy函数的代码如下:

def accuracy(preds, labels):
    # 判断是二分类任务还是多分类任务,preds.shape[1]=1时为二分类任务,preds.shape[1]>1时为多分类任务
    if preds.shape[1] == 1:
        preds=(preds>=0.5).to(torch.float32)

    else:
        preds = torch.argmax(preds,dim=1).int()

    return torch.mean((preds == labels).float())

【思考题】自定义梯度计算和自动梯度计算:从计算性能、计算结果等多方面比较,谈谈自己的看法。

在PyTorch中,torch.Tensor类是存储和变换数据的重要工具,相比于Numpy,Tensor提供GPU计算和自动求梯度等更多功能,在深度学习中,我们经常需要对函数求梯度(gradient)。PyTorch提供的autograd包能够根据输入和前向传播过程自动构建计算图,并执行反向传播。

Tensor是这个pytorch的自动求导部分的核心类,如果将其属性.requires_grad=True,它将开始追踪(track) 在该tensor上的所有操作,从而实现利用链式法则进行的梯度传播。完成计算后,可以调用.backward()来完成所有梯度计算。此Tensor的梯度将累积到.grad属性中。
如果不想要被继续对tensor进行追踪,可以调用.detach()将其从追踪记录中分离出来,接下来的梯度就传不过去了。此外,还可以用with torch.no_grad()将不想被追踪的操作代码块包裹起来,这种方法在评估模型的时候很常用,因为此时并不需要继续对梯度进行计算。

Function是另外一个很重要的类。Tensor和Function互相结合就可以构建一个记录有整个计算过程的有向无环图(DAG)。每个Tensor都有一个.grad_fn属性,该属性即创建该Tensor的Function, 就是说该Tensor是不是通过某些运算得到的,若是,则grad_fn返回一个与这些运算相关的对象,否则是None。

自定义梯度计算:

    def backward(self):
        # 计算损失函数对模型预测的导数
        loss_grad_predicts = -1.0 * (self.labels / self.predicts -
                                     (1 - self.labels) / (1 - self.predicts)) / self.num
 
        # 梯度反向传播
        self.model.backward(loss_grad_predicts)
 

运行结果:

[Test] score/loss: 0.7750/0.4362

而自动梯度计算:

     # 自动计算参数梯度
            trn_loss.backward()

运行结果:

[Test] score/loss: 0.9000/0.2246

发现自动梯度计算的效果要好一点,然后我们再测试一下两者所用时间:

自定义梯度计算:

运行时间: 0.9484963417053223

自动梯度计算: 

运行时间: 0.7904136180877686

 发现自动梯度计算不管从时间还是结果上都要优于自定义梯度计算。

4.4 优化问题

4.4.1 参数初始化

实现一个神经网络前,需要先初始化模型参数。

如果对每一层的权重和偏置都用0初始化,那么通过第一遍前向计算,所有隐藏层神经元的激活值都相同;在反向传播时,所有权重的更新也都相同,这样会导致隐藏层神经元没有差异性,出现对称权重现象。

接下来,将模型参数全都初始化为0,看实验结果。这里重新定义了一个类TwoLayerNet_Zeros,两个线性层的参数全都初始化为0。

代码如下:

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.nn.init import constant_, normal_, uniform_
 
 
class Model_MLP_L2_V4(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(Model_MLP_L2_V4, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
        constant_(self.fc1.weight, val=0.0)
        constant_(self.fc1.bias, val=0.0)
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, output_size)
        constant_(self.fc2.weight, val=0.0)
        constant_(self.fc2.bias, val=0.0)
        self.act_fn = torch.sigmoid
 
    # 前向计算
    def forward(self, inputs):
        z1 = self.fc1(inputs)
        a1 = self.act_fn(z1)
        z2 = self.fc2(a1)
        a2 = self.act_fn(z2)
        return a2
def print_weights(runner):
    print('The weights of the Layers:')
    for item in runner.model.named_parameters():
        print(item)

利用Runner类训练模型:

# 设置模型
input_size = 2
hidden_size = 5
output_size = 1
model = Model_MLP_L2_V4(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size, output_size=output_size)

# 设置损失函数
loss_fn = F.binary_cross_entropy

# 设置优化器
learning_rate = 0.2 #5e-2
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=learning_rate)

# 设置评价指标
metric = accuracy

# 其他参数
epoch = 2000
saved_path = 'best_model.pt'

# 实例化RunnerV2类,并传入训练配置
runner = RunnerV2_2(model, optimizer, metric, loss_fn)

runner.train([X_train, y_train], [X_dev, y_dev], num_epochs=5, log_epochs=50, save_path="best_model.pt",custom_print_log=print_weights)

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第9张图片

可视化训练和验证集上的主准确率和loss变化:

plot(runner, "fw-zero.pdf")

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第10张图片 从输出结果看,二分类准确率为50%左右,说明模型没有学到任何内容。训练和验证loss几乎没有怎么下降。

为了避免对称权重现象,可以使用高斯分布或均匀分布初始化神经网络的参数。

高斯分布和均匀分布采样的实现和可视化代码如下:

gausian_weights = torch.normal(mean=0.0, std=1.0, size=[10000])
uniform_weights = torch.Tensor(10000)
uniform_weights.uniform_(-1, 1)
# 绘制两种参数分布
plt.figure()
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.title('Gausian Distribution')
plt.hist(gausian_weights, bins=200, density=True, color='#f19ec2')
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.title('Uniform Distribution')
plt.hist(uniform_weights, bins=200, density=True, color='#e4007f')
plt.savefig('fw-gausian-uniform.pdf')
plt.show()

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第11张图片4.4.2 梯度消失问题

在神经网络的构建过程中,随着网络层数的增加,理论上网络的拟合能力也应该是越来越好的。但是随着网络变深,参数学习更加困难,容易出现梯度消失问题。

由于Sigmoid型函数的饱和性,饱和区的导数更接近于0,误差经过每一层传递都会不断衰减。当网络层数很深时,梯度就会不停衰减,甚至消失,使得整个网络很难训练,这就是所谓的梯度消失问题。
在深度神经网络中,减轻梯度消失问题的方法有很多种,一种简单有效的方式就是使用导数比较大的激活函数,如:ReLU。

下面通过一个简单的实验观察前馈神经网络的梯度消失现象和改进方法。

4.4.2.1 模型构建

定义一个前馈神经网络,包含4个隐藏层和1个输出层,通过传入的参数指定激活函数。代码实现如下:

# 定义多层前馈神经网络
class Model_MLP_L5(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, output_size, act='sigmoid', w_init=torch.normal(mean=torch.tensor(0.0), std=torch.tensor(0.01)), b_init=torch.tensor(1.0)):
        super(Model_MLP_L5, self).__init__()
        self.fc1 = torch.nn.Linear(input_size, 3)
        self.fc2 = torch.nn.Linear(3, 3)
        self.fc3 = torch.nn.Linear(3, 3)
        self.fc4 = torch.nn.Linear(3, 3)
        self.fc5 = torch.nn.Linear(3, output_size)
        # 定义网络使用的激活函数
        if act == 'sigmoid':
            self.act = F.sigmoid
        elif act == 'relu':
            self.act = F.relu
        elif act == 'lrelu':
            self.act = F.leaky_relu
        else:
            raise ValueError("Please enter sigmoid relu or lrelu!")
        # 初始化线性层权重和偏置参数
        self.init_weights(w_init, b_init)

    # 初始化线性层权重和偏置参数
    def init_weights(self, w_init, b_init):
        # 使用'named_sublayers'遍历所有网络层
        for n, m in self.named_parameters():
            # 如果是线性层,则使用指定方式进行参数初始化
            if isinstance(m, nn.Linear):
                w_init(m.weight)
                b_init(m.bias)

    def forward(self, inputs):
        outputs = self.fc1(inputs)
        outputs = self.act(outputs)
        outputs = self.fc2(outputs)
        outputs = self.act(outputs)
        outputs = self.fc3(outputs)
        outputs = self.act(outputs)
        outputs = self.fc4(outputs)
        outputs = self.act(outputs)
        outputs = self.fc5(outputs)
        outputs = F.sigmoid(outputs)
        return outputs

4.4.2.2 使用Sigmoid型函数进行训练

使用Sigmoid型函数作为激活函数,为了便于观察梯度消失现象,只进行一轮网络优化。代码实现如下:

定义梯度打印函数

def print_grads(runner):
    # 打印每一层的权重的模
    print('The gradient of the Layers:')
    for name, item in runner.model.named_parameters():
        if(len(item.size())==2):
             print(name, torch.norm(input=item, p=2))

# 学习率大小
lr = 0.01

# 定义网络,激活函数使用sigmoid
model =  Model_MLP_L5(input_size=2, output_size=1, act='sigmoid')

# 定义优化器
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=lr)

# 定义损失函数,使用交叉熵损失函数
loss_fn = F.binary_cross_entropy

# 定义评价指标
metric = accuracy

# 指定梯度打印函数
custom_print_log=print_grads

实例化RunnerV2_2类,并传入训练配置。代码实现如下:

# 实例化Runner类
runner = RunnerV2_2(model, optimizer, metric, loss_fn)

模型训练,打印网络每层梯度值的ℓ2ℓ2范数。代码实现如下:

# 启动训练
runner.train([X_train, y_train], [X_dev, y_dev], 
            num_epochs=10, log_epochs=None, 
            save_path="best_model.pdparams", 
            custom_print_log=custom_print_log)

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第12张图片

观察实验结果可以发现,梯度经过每一个神经层的传递都会不断衰减,最终传递到第一个神经层时,梯度几乎完全消失。

4.4.2.3 使用ReLU函数进行模型训练

代码如下:

torch.manual_seed(102)
lr = 0.01  # 学习率大小
# 定义网络,激活函数使用relu
model = Model_MLP_L5(input_size=2, output_size=1, act='relu')
# 定义优化器
optimizer = torch.optim.SGD(lr=lr, params=model.parameters())
# 定义损失函数
# 定义损失函数,这里使用交叉熵损失函数
loss_fn = F.binary_cross_entropy
# 定义评估指标
metric = accuracy
# 实例化Runner
runner = RunnerV2_2(model, optimizer, metric, loss_fn)
# 启动训练
runner.train([X_train, y_train], [X_dev, y_dev], num_epochs=1, log_epochs=None, save_path="best_model.pdparams", custom_print_log=custom_print_log)

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第13张图片 

下图展示了使用不同激活函数时,网络每层梯度值的ℓ2ℓ2范数情况。从结果可以看到,5层的全连接前馈神经网络使用Sigmoid型函数作为激活函数时,梯度经过每一个神经层的传递都会不断衰减,最终传递到第一个神经层时,梯度几乎完全消失。改为ReLU激活函数后,梯度消失现象得到了缓解,每一层的参数都具有梯度值。 

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第14张图片

4.4.3 死亡ReLU问题

ReLU激活函数可以一定程度上改善梯度消失问题,但是在某些情况下容易出现死亡ReLU问题,使得网络难以训练。

这是由于当x<0x<0时,ReLU函数的输出恒为0。在训练过程中,如果参数在一次不恰当的更新后,某个ReLU神经元在所有训练数据上都不能被激活(即输出为0),那么这个神经元自身参数的梯度永远都会是0,在以后的训练过程中永远都不能被激活。

一种简单有效的优化方式就是将激活函数更换为Leaky ReLU、ELU等ReLU的变种。

4.4.3.1 使用ReLU进行模型训练

使用第4.4.2节中定义的多层全连接前馈网络进行实验,使用ReLU作为激活函数,观察死亡ReLU现象和优化方法。当神经层的偏置被初始化为一个相对于权重较大的负值时,可以想像,输入经过神经层的处理,最终的输出会为负值,从而导致死亡ReLU现象。

# 定义网络,并使用较大的负值来初始化偏置
model =  Model_MLP_L5(input_size=2, output_size=1, act='relu', b_init=torch.tensor(-8.0))

实例化RunnerV2类,启动模型训练,打印网络每层梯度值的ℓ2ℓ2范数。代码实现如下:

# 实例化Runner类
runner = RunnerV2_2(model, optimizer, metric, loss_fn)

# 启动训练
runner.train([X_train, y_train], [X_dev, y_dev], 
            num_epochs=1, log_epochs=0, 
            save_path="best_model.pt", 
            custom_print_log=custom_print_log)

运行结果:

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第15张图片从输出结果可以发现,使用 ReLU 作为激活函数,当满足条件时,会发生死亡ReLU问题,网络训练过程中 ReLU 神经元的梯度始终为0,参数无法更新。

针对死亡ReLU问题,一种简单有效的优化方式就是将激活函数更换为Leaky ReLU、ELU等ReLU 的变种。接下来,观察将激活函数更换为 Leaky ReLU时的梯度情况。

4.4.3.2 使用Leaky ReLU进行模型训练

将激活函数更换为Leaky ReLU进行模型训练,观察梯度情况。代码实现如下:

# 重新定义网络,使用Leaky ReLU激活函数
model = Model_MLP_L5(input_size=2, output_size=1, act='lrelu', b_init=constant_(a, val=-8.0))
 
# 实例化Runner类
runner = RunnerV2_2(model, optimizer, metric, loss_fn)
 
# 启动训练
runner.train([X_train, y_train], [X_dev, y_dev], num_epochs=1, log_epochps=None, save_path="best_model.pdparams", custom_print_log=custom_print_log)

运行结果: 

NNDL 实验五 前馈神经网络(2)自动梯度计算 & 优化问题_第16张图片

从输出结果可以看到,将激活函数更换为Leaky ReLU后,死亡ReLU问题得到了改善,梯度恢复正常,参数也可以正常更新。但是由于 Leaky ReLU 中,x<0x<0 时的斜率默认只有0.01,所以反向传播时,随着网络层数的加深,梯度值越来越小。如果想要改善这一现象,将 Leaky ReLU 中,x<0x<0 时的斜率调大即可。 

参考博客:

1. pytorch教程之nn.Module类详解——使用Module类来自定义模型

2. PaddlePaddle与PyTorch的转换

3. NNDL 实验4(上) - HBU_DAVID - 博客园 (cnblogs.com)

4. 机器学习中的数学——激活函数(四):Leaky ReLU函数

5. 2.5. 自动微分 — 动手学深度学习 2.0.0-beta1 documentation (d2l.ai)

6. 思考题参考的同学博客

心得体会:

学习了paddlepaddle和pytorch之间一些函数的转换,以及自定义梯度计算和自动梯度计算之间的区别。学习了神经网络模型的优化问题以及死亡regu问题。

你可能感兴趣的:(神经网络,深度学习,人工智能)