从基础到卷积神经网络（第12天）

1. PyTorch 神经网络基础

1.1 模型构造

1. 块和层

首先，回顾一下多层感知机

import torch 
from torch import nn
from torch.nn import functional as Fnet = nn.Sequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10))X = torch.rand(2, 20) # 生成随机输入（批量大小=2， 输入维度=20）
net(X) # 输出（批量大小=2, 输出维度=10）

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2. 自定义块

自定义MLP实现上一节的功能

class MLP(nn.Module): # 定义nn.Mudule的子类def __init__(self): super().__init__() # 调用父类self.hidden = nn.Linear(20, 256) # 定义隐藏层self.out = nn.Linear(256, 10) # 定义输出层def forward(self, X): # 定义前向函数return self.out(F.relu(self.hidden(X))) # X-> hidden-> relu-> out

实例化MLP的层，然后再每次调用正向传播函数时调用这些层

net = MLP()
net(X)

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3. 实现Sequential类

class MySequential(nn.Module):def __init__(self, *args):super().__init__()for block in args:self._modules[block] = blockdef forward(self, X):for block in self._modules.values():X = block(X)return Xnet = MySequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10))
net(X)

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4. 在正向传播中执行代码

class FixedHiddenMLP(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.rand_weight = torch.rand((20, 20), requires_grad=False) # 加入随机权重self.linear = nn.Linear(20, 20)def forward(self, X):X = self.linear(X)X = F.relu(torch.mm(X, self.rand_weight) + 1) # 输入和随机权重做矩阵乘法 + 1（偏移）-》激活函数X = self.linear(X)while X.abs().sum() > 1: # 控制X小于1X /= 2return X.sum() # 返回一个标量net = FixedHiddenMLP()
net(X)

5. 混合搭配各种组合块的方法

class NestMLP(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.net = nn.Sequential(nn.Linear(20, 64), nn.ReLU(),nn.Linear(64, 32), nn.ReLU())self.linear = nn.Linear(32, 16)def forward(self, X):return self.linear(self.net(X)) # 输入-> net-> linear中chimera = nn.Sequential(NestMLP(), nn.Linear(16, 20), FixedHiddenMLP()) # (32, 16)->(16, 20) ->(20, 1)
chimera(X)

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总结：
1、在init中写各种层
2、在前向函数中调用init中各种层
有很强的灵活性

1.2 参数构造

具有单隐藏层的MLP

import torch
from torch import nnnet = nn.Sequential(nn.Linear(4, 8), nn.ReLU(), nn.Linear(8, 1))
X = torch.rand(size=(2, 4))
net(X)

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参数访问

print(net[2].state_dict()) # 拿到nn.Linear的相关参数

在这里插入图片描述
访问目标参数

print(type(net[2].bias))
print(net[2].bias)
print(net[2].bias.data)
net[2].weight.grad == None # 梯度是否为0，因为此时还没有计算，所以没有梯度

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一次访问所有参数

print(*[(name, param.shape) for name, param in net[0].named_parameters()])
print(*[(name, param.shape) for name, param in net.named_parameters()])

输出没有block1是因为第二层是ReLU是没有参数的
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net.state_dict()['2.bias'].data # 访问最后一层的偏移

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从嵌套块收集参数

def block1():return nn.Sequential(nn.Linear(4, 8), nn.ReLU(), nn.Linear(8, 4), nn.ReLU())def block2(): # block2嵌套4个block1net = nn.Sequential()for i in range(4): net.add_module(f'block {i}', block1()) return netrgnet = nn.Sequential(block2(), nn.Linear(4, 1))
rgnet(X)

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print(rgnet) # 查看网络结构

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内置初始化

def init__normal(m): # 传入的moduleif type(m) == nn.Linear: # 如果传入的是全连接层nn.init.normal_(m.weight, mean=0, std=0.01) # 内置初始化，均值为0方差为1，.normal_替换函数不返回nn.init.zeros_(m.bias) # 所有的bias赋0net.apply(init__normal) # 对神经网络模型net中的所有参数进行初始化，使用init_normal()函数对参数进行随机初始化
net[0].weight.data[0], net[0].bias.data[0]

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def init_constant(m):if type(m) == nn.Linear:nn.init.constant_(m.weight, 1) # 将m.weight初始常数化为1nn.init.zeros_(m.bias)net.apply(init_constant)
net[0].weight.data[0], net[0].bias.data[0]

在这里插入图片描述
不建议权重全部常数化，会导致所有向量向一致的方向发展

对某些块应用不同的初始化方法

def xavier(m):if type(m) == nn.Linear:nn.init.xavier_uniform_(m.weight) # 使用Xavier均匀分布进行初始化def init_42(m):if type(m) == nn.Linear:nn.init.constant_(m.weight, 42)net[0].apply(xavier) # 第一个层用xavier初始化
net[2].apply(init_42) # 第二个层用init_42进行初始化
print(net[0].weight.data[0])
print(net[2].weight.data)