手写数字识别（分类任务）

1. 导入必要的库

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from pathlib import Path
import requests
import pickle
import gzip
import numpy as np
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
from torch.utils.data import TensorDataset, DataLoader
from torch import optim

功能: 导入所需的库，以便进行文件操作、数据处理、构建神经网络、计算损失以及加载和处理数据。

2. 数据准备

a. 创建数据路径并下载数据集

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DATA_PATH = Path("data")
PATH = DATA_PATH / "mnist"
PATH.mkdir(parents=True, exist_ok=True)

URL = "http://deeplearning.net/data/mnist/"
FILENAME = "mnist.pkl.gz"

if not (PATH / FILENAME).exists():
    content = requests.get(URL + FILENAME).content
    (PATH / FILENAME).open("wb").write(content)

功能 :
- 创建存储数据集的路径 data/mnist。
- 从指定 URL 下载 MNIST 数据集，并保存为 mnist.pkl.gz 文件，如果文件已经存在则不重复下载。

b. 加载数据集

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with gzip.open((PATH / FILENAME).as_posix(), "rb") as f:
    ((x_train, y_train), (x_valid, y_valid), _) = pickle.load(f, encoding="latin-1")

功能 :
- 使用 gzip 解压缩文件并使用 pickle 加载数据集，得到训练数据 x_train、训练标签 y_train、验证数据 x_valid 和验证标签 y_valid。

3. 数据转换为 PyTorch 张量

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x_train_test, y_train_test, x_valid_test, y_valid_test = map(torch.tensor, (x_train, y_train, x_valid, y_valid))

功能: 将 NumPy 数组转换为 PyTorch 张量，以便后续的模型训练和计算。

4. 模型构建

a. 定义神经网络结构

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class Mnist_NN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.hidden1 = nn.Linear(784, 128)  # 第一隐藏层
        self.hidden2 = nn.Linear(128, 256)  # 第二隐藏层
        self.out = nn.Linear(256, 10)       # 输出层
        self.dropout = nn.Dropout(0.5)      # Dropout层

功能 :
- 创建一个名为 Mnist_NN 的神经网络类，继承自 nn.Module。
- 在初始化方法中定义网络的结构，包括两个隐藏层和一个输出层，以及一个 Dropout 层以减少过拟合。

b. 定义前向传播方法

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def forward(self, x):
    x = F.relu(self.hidden1(x))  # 第一层激活
    x = self.dropout(x)          # Dropout
    x = F.relu(self.hidden2(x))  # 第二层激活
    x = self.dropout(x)          # Dropout
    x = self.out(x)              # 输出层
    return x

功能 :
- 定义前向传播过程，输入数据通过各层进行计算，并应用 ReLU 激活函数和 Dropout。

5. 损失函数和优化器

a. 定义损失函数

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loss_func = F.cross_entropy  # 使用交叉熵损失函数

功能: 选择交叉熵损失函数作为模型的损失计算标准。

b. 定义优化器

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def get_model():
    model = Mnist_NN()  # 实例化模型
    return model, optim.SGD(model.parameters(), lr=0.001)  # 使用 SGD 优化器

功能 :
- 创建模型实例，并定义 SGD 优化器，学习率设置为 0.001。

6. 数据加载

a. 创建数据集和数据加载器

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train_ds = TensorDataset(x_train, y_train)  # 创建训练数据集
train_dl = DataLoader(train_ds, batch_size=bs, shuffle=True)  # 创建训练数据加载器

valid_ds = TensorDataset(x_valid, y_valid)  # 创建验证数据集
valid_dl = DataLoader(valid_ds, batch_size=bs * 2)  # 创建验证数据加载器

功能 :
- 将训练和验证数据转换为 TensorDataset 格式，以便于进行批量处理。
- 创建数据加载器 DataLoader，在训练时打乱训练集的顺序，方便分批次读取数据。

6.5 loss_batch

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def loss_batch(model, loss_func, xb, yb, opt=None):  
    # 计算当前批次的损失
    loss = loss_func(model(xb), yb)  

    # 如果提供了优化器 opt，则进行反向传播和优化
    if opt is not None:
        loss.backward()  # 计算损失的梯度（反向传播）
        opt.step()       # 更新模型参数
        opt.zero_grad()  # 清空梯度，避免累积

    # 返回当前批次的损失值和该批次数据的大小
    return loss.item(), len(xb)

7. 训练过程

a. 定义训练函数

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def fit(steps, model, loss_func, opt, train_dl, valid_dl):
    for step in range(steps):
        model.train()  # 设置模型为训练模式
        for xb, yb in train_dl:  # 遍历训练数据
            loss_batch(model, loss_func, xb, yb, opt)  # 计算并优化损失

        model.eval()  # 设置模型为评估模式
        with torch.no_grad():  # 禁用梯度计算
            losses, nums = zip(
                *[loss_batch(model, loss_func, xb, yb) for xb, yb in valid_dl]
            )  # 计算验证集损失

        val_loss = np.sum(np.multiply(losses, nums)) / np.sum(nums)  # 计算加权平均损失
        print('当前step:' + str(step), '验证集损失：' + str(val_loss))  # 打印损失

功能 :
- 定义 fit 函数，负责训练过程，包括：
  - 将模型设置为训练模式并进行训练。
  - 在验证模式下计算验证集损失并输出。

8. 运行训练

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train_dl, valid_dl = get_data(train_ds, valid_ds, bs)  # 获取数据加载器
model, opt = get_model()  # 获取模型和优化器
fit(25, model, loss_func, opt, train_dl, valid_dl)  # 开始训练

功能 :
- 通过调用 get_data 和 get_model 函数获取数据加载器和模型，然后调用 fit 函数进行训练。

总结

以上步骤展示了从数据准备到模型训练的完整过程。每一步都围绕着构建一个用于手写数字识别的神经网络进行，确保数据的加载、模型的构建和训练过程都能顺利进行。通过这些步骤，最终可以得到一个能够对手写数字进行分类的模型。