Pytorch

一、Pytorch 介绍

  PyTorch 是一个开源的深度学习框架，由 Facebook 的人工智能研究团队开发。它主要用于构建和训练深度学习模型，具有以下特点：
  动态计算图：PyTorch 使用动态计算图，这意味着可以在运行时动态地构建、修改和执行计算图，使得开发和调试更加灵活。
  易于使用：提供了简洁直观的 API，使得开发者可以快速上手，专注于模型的设计和实现。
  强大的 GPU 加速：支持在 GPU 上进行高效的并行计算，大大加快了训练和推理的速度。
  广泛的社区支持：拥有庞大的开发者社区，提供了丰富的教程、示例和第三方扩展。

二、概念

  张量（Tensor）：是 PyTorch 中的基本数据结构，类似于多维数组，可以在 CPU 或 GPU 上存储和操作数据。
  自动求导（Autograd）：PyTorch 能够自动计算张量的梯度，这对于训练深度学习模型非常重要，因为它可以通过反向传播算法自动更新模型参数。
  模块（Module）：是 PyTorch 中构建模型的基本单元，可以包含多个子模块和参数。
  优化器（Optimizer）：用于优化模型参数，常见的优化算法如随机梯度下降（SGD）、Adam 等。
  损失函数（Loss Function）：用于衡量模型预测与真实值之间的差异，常见的损失函数有均方误差（MSE）、交叉熵损失等。

三、应用于简单线性回归

  线性回归是一种简单的机器学习算法，用于预测一个连续的数值。下面是使用 PyTorch 实现简单线性回归的步骤：
  准备数据：
  生成一些随机的输入数据和对应的输出数据。例如，假设我们要拟合一个线性函数 y = 2x + 1，可以生成一些随机的 x 值，并计算出对应的 y 值。
  定义模型：
  使用 PyTorch 的模块类定义一个简单的线性回归模型。这个模型通常包含一个线性层，即一个全连接层，它将输入特征映射到输出。
  定义损失函数和优化器：
  选择一个合适的损失函数，如均方误差（MSE）损失。
  选择一个优化器，如随机梯度下降（SGD）优化器，并设置学习率等参数。
  训练模型：
  将数据分成小批次，每次输入一个批次的数据到模型中进行前向传播，计算损失。
  然后进行反向传播，计算梯度，并使用优化器更新模型参数。
  重复这个过程直到达到预定的训练次数或损失收敛。
  测试模型：
  使用训练好的模型对新的数据进行预测，评估模型的性能。

1.代码框架

2.引用

import torch        
from torch import nn
from torch import optim

3.继续模型

  继承模型主要都是在nn.Module类里

(1)要定义一个模型，需要继承nn.Module：

class EIModel(nn.Module):def __init__(self):super(EIModel,self).__init__()   #等价于super().__init__()  self.linear=nn.Linear(in_features=1,out_features=1)   #创建线性层def forward(self,inputs):logits=self.linear(inputs)return logits   

  注：forward()的return切记要写上

(2)如果函数的参数不具体指定，那么就需要在__init__函数中添加未指定的变量：

class EIModel(nn.Module):def __init__(self,in_features,out_features):super(EIModel,self).__init__()self.linear=nn.Linear(in_features,out_features)  def forward(self,inputs):logits=self.linear(inputs)return logits

  注：这时在实例化模型时，函数内要指定参数：

model = EIModel(in_features=1,out_features=1)

2.定义数据

x_list=[0,1,2,3,4]
y_list=[2,3,4,5,8]x_numpy=np.array(x_list,dtype=np.float32)
x=torch.from_numpy(x_numpy.reshape(-1,1))
y_numpy=np.array(y_list,dtype=np.float32)
y=torch.from_numpy(y_numpy.reshape(-1,1))

3.实例化模型

model = EIModel()

  直接调用模型

import torchvision.models as models
models.resnet50()

  测试模型预测结果

outputs=model(x)
print(outputs)

  结果：

tensor([[-0.9462],[-1.4654],[-1.9846],[-2.5038],[-3.0230]], grad_fn=<AddmmBackward>)

4.损失函数

  nn.MSELoss()定义均方误差损失计算函数
(1)loss_f=nn.MSELoss()
(2)loss_f=nn.CrossEntropyLoss()

5.优化器

  torch.optim.SGD()是一个内置的优化器
  它的第一个参数是需要优化的变量，可以通过model.parameters()方法获取模型中所有变量
lr=0.0001定义学习率
  (1)opt=torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=0.0001)
  (2)optimizer_ft=optim.Adam(params_to_update,lr=1e-2)
  Adam优点：可以自动调整学习效率

6.模型训练

  (1)因为pytorch会累积每次计算的梯度，所以需要将上一循环中的计算的梯度归零
将全部数据训练一遍称为一个epoch，这里训练了500个epoch

for epoch in range(500):for x_index,y_index in zip(x,y): #同时对x和y迭代y_pred=model(x_index)        #等价于model.forward(inputs)loss=loss_f(y_pred,y_index)  #根据模型预测输出与实际值y_index计算损失opt.zero_grad()              #将累计的梯度清0loss.backward()              #反向传播损失，计算损失与模型参数之间的梯度opt.step()                   #根据计算得到梯度优化模型参数

  (2)将损失误差打印出来

for epoch in range(500):for x_index,y_index in zip(x,y):   y_pred=model(x_index)loss=loss_f(y_pred,y_index)opt.zero_grad()     #将累计的梯度清0loss.backward()     #反向传播损失，计算损失与模型参数之间的梯度opt.step()          #根据计算得到梯度优化模型参数if (epoch + 1) % 50 == 0:print(f'epoch:{epoch + 1}, loss = {loss.item():.4f}')

  结果：

epoch:50, loss = 12.1212
epoch:100, loss = 7.1772
epoch:150, loss = 4.4344
epoch:200, loss = 2.8781
epoch:250, loss = 1.9724
epoch:300, loss = 1.4308
epoch:350, loss = 1.0978
epoch:400, loss = 0.8877
epoch:450, loss = 0.7521
epoch:500, loss = 0.6629

  参数名称和值：
model.named_parameters()可以以生成器的形式返回模型参数的名称和值

print(list(model.named_parameters()))

  结果：

[('linear.weight', Parameter containing:tensor([[1.4773]], requires_grad=True)), 
('linear.bias', Parameter containing:tensor([1.2792], requires_grad=True))]

  单独查看权重/偏置：

print(model.linear.weight)
print(model.linear.bias)

7.绘制数据

  使用tensor.detach()方法获得具有相同内容但不需要跟踪运算的新张量，可以认为是获取张量的值

plt.scatter(x_list,y_list,label='scatter plot')
plt.plot(x,model(x).detach().numpy(),c='r',label='line plot')
plt.legend()
plt.show()

  结果：