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前言
一、导入包和模块
二、生成数据
三、读取数据
四、定义模型
五、初始化模型参数
六、定义损失函数
七、定义优化方法
八、训练模型
博客是对上一个博客的简化版
import torch
from IPython import display
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import random
num_inputs = 2 # 特征数量为2
num_examples = 1000 # 样本数量为1000
true_w = [2, -3.4] # 回归模型真实权重
true_b = 4.2 # 回归模型偏差
# 特征图为均值0方差1的正态分布,形状为[1000,2],数据类型为torch.float
features = torch.tensor(np.random.normal(0, 1, (num_examples, num_inputs)), dtype=torch.float)
# 标签y=2*所有样本的第一个特征——3.4*所有样本的第二个特征
labels = true_w[0] * features[:, 0] + true_w[1] * features[:, 1] + true_b
# 标签中加入随机噪声,噪声服从均值为0方差为0.01的正态分布,尺寸和标签尺寸相同,数据类型为torch.float
labels += torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, size=labels.size()), dtype=torch.float)
PyTorch提供了data
包来读取数据。由于data
常用作变量名,我们将导入的data
模块用Data
代替。在每一次迭代中,我们将随机读取包含10个数据样本的小批量。
import torch.utils.data as Data
# 批量大小
batch_size = 10
# 将训练数据的特征和标签组合
dataset = Data.TensorDataset(features, labels)
# 随机读取小批量
data_iter = Data.DataLoader(dataset, batch_size, shuffle=True)
在上一篇博客中,我们需要定义模型参数,并使用它们一步步描述模型是怎样计算的。当模型结构变得更复杂时,这些步骤将变得更繁琐。其实,PyTorch提供了大量预定义的层,这使我们只需关注使用哪些层来构造模型。下面将介绍如何使用PyTorch更简洁地定义线性回归。
首先,导入torch.nn
模块。实际上,“nn”是neural networks(神经网络)的缩写。顾名思义,该模块定义了大量神经网络的层。之前我们已经用过了autograd
,而nn
就是利用autograd
来定义模型。nn
的核心数据结构是Module
,它是一个抽象概念,既可以表示神经网络中的某个层(layer),也可以表示一个包含很多层的神经网络。在实际使用中,最常见的做法是继承nn.Module
,撰写自己的网络/层。一个nn.Module
实例应该包含一些层以及返回输出的前向传播(forward)方法。下面先来看看如何用nn.Module
实现一个线性回归模型。
import torch.nn as nn
class LinearNet(nn.Module):
def __init__(self, n_feature):
super(LinearNet, self).__init__()
self.linear = nn.Linear(n_feature, 1)
# forward 定义前向传播
def forward(self, x):
y = self.linear(x)
return y
net = LinearNet(num_inputs)
事实上我们还可以用nn.Sequential
来更加方便地搭建网络,Sequential
是一个有序的容器,网络层将按照在传入Sequential
的顺序依次被添加到计算图中。
# 写法一
net = nn.Sequential(
nn.Linear(num_inputs, 1)
# 此处还可以传入其他层
)
# 写法二
net = nn.Sequential()
net.add_module('linear', nn.Linear(num_inputs, 1))
# net.add_module ......
# 写法三
from collections import OrderedDict
net = nn.Sequential(OrderedDict([
('linear', nn.Linear(num_inputs, 1))
# ......
]))
在使用net
前,我们需要初始化模型参数,如线性回归模型中的权重和偏差。PyTorch在init
模块中提供了多种参数初始化方法。这里的init
是initializer
的缩写形式。我们通过init.normal_
将权重参数每个元素初始化为随机采样于均值为0、标准差为0.01的正态分布。偏差会初始化为零。
from torch.nn import init
init.normal_(net.linear.weight, mean=0, std=0.01) # 初始化w
init.constant_(net.linear.bias, val=0) # 也可以直接修改bias的data: net[0].bias.data.fill_(0)
PyTorch在nn
模块中提供了各种损失函数,这些损失函数可看作是一种特殊的层,PyTorch也将这些损失函数实现为nn.Module
的子类。我们现在使用它提供的均方误差损失作为模型的损失函数。
loss = nn.MSELoss()
torch.optim
模块提供了很多常用的优化算法比如SGD、Adam和RMSProp等。下面我们创建一个用于优化net
所有参数的优化器实例,并指定学习率为0.03的小批量随机梯度下降(SGD)为优化算法。
import torch.optim as optim
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.03)
print(optimizer)
我们还可以为不同子网络设置不同的学习率,这在finetune时经常用到。例:
optimizer =optim.SGD([
# 如果对某个参数不指定学习率,就使用最外层的默认学习率
{'params': net.subnet1.parameters()}, # lr=0.03
{'params': net.subnet2.parameters(), 'lr': 0.01}
], lr=0.03)
有时候我们不想让学习率固定成一个常数,那如何调整学习率呢?主要有两种做法。一种是修改optimizer.param_groups
中对应的学习率,另一种是更简单也是较为推荐的做法——新建优化器,由于optimizer十分轻量级,构建开销很小,故而可以构建新的optimizer。但是后者对于使用动量的优化器(如Adam),会丢失动量等状态信息,可能会造成损失函数的收敛出现震荡等情况。
# 调整学习率
for param_group in optimizer.param_groups:
param_group['lr'] *= 0.1 # 学习率为之前的0.1倍
在使用Gluon训练模型时,我们通过调用optim
实例的step
函数来迭代模型参数。按照小批量随机梯度下降的定义,我们在step
函数中指明批量大小,从而对批量中样本梯度求平均。
num_epochs = 5 # 迭代周期
for epoch in range(1, num_epochs + 1):
for X, y in data_iter:
output = net(X) # 样本预测值
l = loss(output, y.view(-1, 1)) # 计算损失
optimizer.zero_grad() # 梯度清零,等价于net.zero_grad()
l.backward() # 反向传播更新参数
optimizer.step() # 迭代模型参数
print('epoch %d, loss: %f' % (epoch, l.item()))
输出:
epoch 1, loss: 0.000102 epoch 2, loss: 0.000084 epoch 3, loss: 0.000093 epoch 4, loss: 0.000078 epoch 5, loss: 0.000056
下面我们分别比较学到的模型参数和真实的模型参数。我们从net
获得需要的层,并访问其权重(weight
)和偏差(bias
)。学到的参数和真实的参数很接近
print(true_w, net.linear.weight)
print(true_b, net.linear.bias)
输出:
[2, -3.4] Parameter containing: tensor([[ 2.0003, -3.3994]], requires_grad=True) 4.2 Parameter containing: tensor([4.2006], requires_grad=True)
参考书目:《动手学深度学习》(pytorch版) 李沐 著