机器学习|PyTorch简明教程上篇

前面几篇文章介绍了特征归一化和张量，接下来开始写两篇PyTorch简明教程，主要介绍PyTorch简单实践。

1、四则运算

scss 复制代码

import torch

a = torch.tensor([2, 3, 4])
b = torch.tensor([3, 4, 5])
print("a + b: ", (a + b).numpy())
print("a - b: ", (a - b).numpy())
print("a * b: ", (a * b).numpy())
print("a / b: ", (a / b).numpy())

加减乘除就不用多解释了，输出为：

less 复制代码

a + b:  [5 7 9]
a - b:  [-1 -1 -1]
a * b:  [ 6 12 20]
a / b:  [0.6666667 0.75      0.8      ]

2、线性回归

线性回归是找到一条直线尽可能接近已知点，如图：

图1

scss 复制代码

import torch
from torch import optim

def build_model1():
    return torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(1, 1, bias=False)
    )

def build_model2():
    model = torch.nn.Sequential()
    model.add_module("linear", torch.nn.Linear(1, 1, bias=False))
    return model

def train(model, loss, optimizer, x, y):
    model.train()
    optimizer.zero_grad()
    fx = model.forward(x.view(len(x), 1)).squeeze()
    output = loss.forward(fx, y)
    output.backward()
    optimizer.step()
    return output.item()

def main():
    torch.manual_seed(42)
    X = torch.linspace(-1, 1, 101, requires_grad=False)
    Y = 2 * X + torch.randn(X.size()) * 0.33
    print("X: ", X.numpy(), ", Y: ", Y.numpy())
    model = build_model1()
    loss = torch.nn.MSELoss(reduction='mean')
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)
    batch_size = 10

    for i in range(100):
        cost = 0.
        num_batches = len(X) // batch_size
        for k in range(num_batches):
            start, end = k * batch_size, (k + 1) * batch_size
            cost += train(model, loss, optimizer, X[start:end], Y[start:end])
        print("Epoch = %d, cost = %s" % (i + 1, cost / num_batches))

    w = next(model.parameters()).data
    print("w = %.2f" % w.numpy())

if __name__ == "__main__":
    main()

（1）先从main函数开始，torch.manual_seed(42)用于设置随机数生成器的种子，以确保在每次运行时生成的随机数序列相同，该函数接受一个整数参数作为种子，可以在训练神经网络等需要随机数的场景中使用，以确保结果的可重复性；

（2）torch.linspace(-1, 1, 101, requires_grad=False)用于在指定的区间内生成一组等间隔的数值，该函数接受三个参数：起始值、终止值和元素个数，返回一个张量，其中包含了指定个数的等间隔数值；

（3）build_model1内部实现：

torch.nn.Sequential(torch.nn.Linear(1, 1, bias=False))中使用nn.Sequential类的构造函数，将线性层作为参数传递给它，然后返回一个包含该线性层的神经网络模型；
build_model2和build_model1功能一样，使用add_module()方法向其中添加了一个名为linear的子模块；

（4）torch.nn.MSELoss(reduction='mean')定义损失函数；

（5）optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)实现随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent，SGD）优化算法；

（6）通过batch_size将训练集拆分，循环100次；

（7）接下来是训练函数train，用于训练一个神经网络模型，具体来说，该函数接受以下参数：

model：神经网络模型，通常是一个继承自nn.Module的类的实例；
loss：损失函数，用于计算模型的预测值与真实值之间的差异；
optimizer：优化器，用于更新模型的参数；
x：输入数据，是一个torch.Tensor类型的张量；
y：目标数据，是一个torch.Tensor类型的张量；

（8）train是PyTorch训练步骤的通用方法，步骤如下：

将模型设置为训练模式，即启用dropout和batch normalization等训练时使用的特殊操作；
将优化器的梯度缓存清零，以便进行新一轮的梯度计算；
将输入数据传递给模型，计算模型的预测值，并将预测值与目标数据传递给损失函数，计算损失值；
对损失值进行反向传播，计算模型参数的梯度；
使用优化器更新模型参数，以最小化损失值；
返回损失值的标量值；

（9）print("Epoch = %d, cost = %s" % (i + 1, cost / num_batches))最后打印当前训练的轮次和损失值，上述的代码输入如下：

ini 复制代码

...
Epoch = 95, cost = 0.10514946877956391
Epoch = 96, cost = 0.10514946877956391
Epoch = 97, cost = 0.10514946877956391
Epoch = 98, cost = 0.10514946877956391
Epoch = 99, cost = 0.10514946877956391
Epoch = 100, cost = 0.10514946877956391
w = 1.98

3、逻辑回归

逻辑回归即用一根曲线近似表示一堆离散点的轨迹，如图：

图2

ini 复制代码

import numpy as np
import torch
from torch import optim
from data_util import load_mnist

def build_model(input_dim, output_dim):
    return torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(
            input_dim, output_dim, bias=False)
    )

def train(model, loss, optimizer, x_val, y_val):
    model.train()
    optimizer.zero_grad()
    fx = model.forward(x_val)
    output = loss.forward(fx, y_val)
    output.backward()
    optimizer.step()
    return output.item()

def predict(model, x_val):
    model.eval()
    output = model.forward(x_val)
    return output.data.numpy().argmax(axis=1)

def main():
    torch.manual_seed(42)
    trX, teX, trY, teY = load_mnist(onehot=False)
    trX = torch.from_numpy(trX).float()
    teX = torch.from_numpy(teX).float()
    trY = torch.tensor(trY)

    n_examples, n_features = trX.size()
    n_classes = 10
    model = build_model(n_features, n_classes)
    loss = torch.nn.CrossEntropyLoss(reduction='mean')
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)
    batch_size = 100

    for i in range(100):
        cost = 0.
        num_batches = n_examples // batch_size
        for k in range(num_batches):
            start, end = k * batch_size, (k + 1) * batch_size
            cost += train(model, loss, optimizer,
                          trX[start:end], trY[start:end])
        predY = predict(model, teX)
        print("Epoch %d, cost = %f, acc = %.2f%%"
              % (i + 1, cost / num_batches, 100. * np.mean(predY == teY)))


if __name__ == "__main__":
    main()

（1）先从main函数开始，torch.manual_seed(42)上面有介绍，在此略过；

（2）load_mnist是自己实现下载mnist数据集，返回trX和teX是输入数据，trY和teY是标签数据；

（3）build_model内部实现：torch.nn.Sequential(torch.nn.Linear(input_dim, output_dim, bias=False))用于构建一个包含一个线性层的神经网络模型，模型的输入特征数量为input_dim，输出特征数量为output_dim，且该线性层没有偏置项，其中n_classes=10表示输出10个分类；

（4）其他的步骤就是定义损失函数，梯度下降优化器，通过batch_size将训练集拆分，循环100次进行train；

（5）optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)实现随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent，SGD）优化算法；

（6）每一轮训练完成后，执行predict，该函数接受两个参数model（训练好的模型）和teX（需要预测的数据），步骤如下：

model.eval()模型设置为评估模式，这意味着模型将不会进行训练，而是仅用于推理；
将output转换为NumPy数组，并使用argmax()方法获取每个样本的预测类别；

（7）print("Epoch %d, cost = %f, acc = %.2f%%" % (i + 1, cost / num_batches, 100. * np.mean(predY == teY)))最后打印当前训练的轮次，损失值和acc，上述的代码输入如下（执行很快，但是准确率偏低）：

ini 复制代码

...
Epoch 91, cost = 0.252863, acc = 92.52%
Epoch 92, cost = 0.252717, acc = 92.51%
Epoch 93, cost = 0.252573, acc = 92.50%
Epoch 94, cost = 0.252431, acc = 92.50%
Epoch 95, cost = 0.252291, acc = 92.52%
Epoch 96, cost = 0.252153, acc = 92.52%
Epoch 97, cost = 0.252016, acc = 92.51%
Epoch 98, cost = 0.251882, acc = 92.51%
Epoch 99, cost = 0.251749, acc = 92.51%
Epoch 100, cost = 0.251617, acc = 92.51%

4、神经网络

一个经典的LeNet网络，用于对字符进行分类，如图：

图3

定义一个多层的神经网络
对数据集的预处理并准备作为网络的输入
将数据输入到网络
计算网络的损失
反向传播，计算梯度

ini 复制代码

import numpy as np
import torch
from torch import optim
from data_util import load_mnist

def build_model(input_dim, output_dim):
    return torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(input_dim, 512, bias=False),
        torch.nn.Sigmoid(),
        torch.nn.Linear(512, output_dim, bias=False)
    )

def train(model, loss, optimizer, x_val, y_val):
    model.train()
    optimizer.zero_grad()
    fx = model.forward(x_val)
    output = loss.forward(fx, y_val)
    output.backward()
    optimizer.step()
    return output.item()

def predict(model, x_val):
    model.eval()
    output = model.forward(x_val)
    return output.data.numpy().argmax(axis=1)

def main():
    torch.manual_seed(42)
    trX, teX, trY, teY = load_mnist(onehot=False)
    trX = torch.from_numpy(trX).float()
    teX = torch.from_numpy(teX).float()
    trY = torch.tensor(trY)

    n_examples, n_features = trX.size()
    n_classes = 10
    model = build_model(n_features, n_classes)
    loss = torch.nn.CrossEntropyLoss(reduction='mean')
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)
    batch_size = 100

    for i in range(100):
        cost = 0.
        num_batches = n_examples // batch_size
        for k in range(num_batches):
            start, end = k * batch_size, (k + 1) * batch_size
            cost += train(model, loss, optimizer,
                          trX[start:end], trY[start:end])
        predY = predict(model, teX)
        print("Epoch %d, cost = %f, acc = %.2f%%"
              % (i + 1, cost / num_batches, 100. * np.mean(predY == teY)))

if __name__ == "__main__":
    main()

（1）以上这段神经网络的代码与逻辑回归没有太多的差异，区别的地方是build_model，这里是构建一个包含两个线性层和一个Sigmoid激活函数的神经网络模型，该模型包含一个输入特征数量为input_dim，输出特征数量为output_dim的线性层，一个Sigmoid激活函数，以及一个输入特征数量为512，输出特征数量为output_dim的线性层；

（2）print("Epoch %d, cost = %f, acc = %.2f%%" % (i + 1, cost / num_batches, 100. * np.mean(predY == teY)))最后打印当前训练的轮次，损失值和acc，上述的代码输入如下（执行时间比逻辑回归要长，但是准确率要高很多）：

ini 复制代码

...
Epoch 91, cost = 0.054484, acc = 97.58%
Epoch 92, cost = 0.053753, acc = 97.56%
Epoch 93, cost = 0.053036, acc = 97.60%
Epoch 94, cost = 0.052332, acc = 97.61%
Epoch 95, cost = 0.051641, acc = 97.63%
Epoch 96, cost = 0.050964, acc = 97.66%
Epoch 97, cost = 0.050298, acc = 97.66%
Epoch 98, cost = 0.049645, acc = 97.67%
Epoch 99, cost = 0.049003, acc = 97.67%
Epoch 100, cost = 0.048373, acc = 97.68%

参考

（1）github.com/vinhkhuc/Py...

（2）zhuanlan.zhihu.com/p/25572330