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一. 单层神经元实现线性回归
1.1 线性模型数学原理
线性回归模型定义为：
y=w⋅x+by=w⋅x+b
其中：
-
ww：权重（Weight）
-
bb：偏置（Bias）
-
xx：输入特征
-
yy：预测输出
目标：通过最小化均方误差（MSE）损失函数学习参数：
1.2 PyTorch实现代码
python
import torch
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成数据
X = torch.linspace(0, 10, 100).reshape(-1, 1)
y = 3 * X + 2 + torch.randn(100, 1) * 2 # 添加噪声
# 定义模型
class LinearModel(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.linear = torch.nn.Linear(1, 1) # 单层神经元
def forward(self, x):
return self.linear(x)
model = LinearModel()
criterion = torch.nn.MSELoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
# 训练循环
losses = []
for epoch in range(100):
pred = model(X)
loss = criterion(pred, y)
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
losses.append(loss.item())
# 可视化
plt.scatter(X.numpy(), y.numpy(), label='Data')
plt.plot(X.numpy(), model(X).detach().numpy(), 'r', label='Fitted Line')
plt.legend()
plt.show()
二. 线性模型实现二分类
2.1 逻辑回归原理
将线性输出通过Sigmoid函数映射到(0,1)区间：
损失函数使用二元交叉熵（BCE）：
2.2 代码实现与决策边界
python
from sklearn.datasets import make_moons
# 生成二分类数据集
X, y = make_moons(n_samples=200, noise=0.1)
X = torch.tensor(X, dtype=torch.float32)
y = torch.tensor(y, dtype=torch.float32).reshape(-1, 1)
# 定义模型（增加Sigmoid激活）
class LogisticRegression(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.linear = torch.nn.Linear(2, 1)
self.sigmoid = torch.nn.Sigmoid()
def forward(self, x):
return self.sigmoid(self.linear(x))
model = LogisticRegression()
criterion = torch.nn.BCELoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.1)
# 训练
for epoch in range(1000):
pred = model(X)
loss = criterion(pred, y)
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
# 可视化决策边界
def plot_decision_boundary(model, X, y):
x_min, x_max = X[:,0].min()-0.5, X[:,0].max()+0.5
y_min, y_max = X[:,1].min()-0.5, X[:,1].max()+0.5
xx, yy = torch.meshgrid(torch.linspace(x_min, x_max, 100),
torch.linspace(y_min, y_max, 100))
grid = torch.cat((xx.reshape(-1,1), yy.reshape(-1,1)), dim=1)
probs = model(grid).reshape(xx.shape)
plt.contourf(xx, yy, probs > 0.5, alpha=0.3)
plt.scatter(X[:,0], X[:,1], c=y.squeeze(), edgecolors='k')
plt.show()
plot_decision_boundary(model, X, y)关键输出：
-
训练后准确率 > 85%
-
决策边界图显示线性分类器的局限性
三. 多层感知机（MLP）手动推导与实现
3.1 手动推导反向传播
网络结构：输入层(2) → 隐藏层(4, ReLU) → 输出层(1, Sigmoid)
前向传播：
反向传播梯度计算：
3.2 PyTorch自动梯度实现
python
class MLP(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.fc1 = torch.nn.Linear(2, 4)
self.fc2 = torch.nn.Linear(4, 1)
self.relu = torch.nn.ReLU()
self.sigmoid = torch.nn.Sigmoid()
def forward(self, x):
x = self.relu(self.fc1(x))
x = self.sigmoid(self.fc2(x))
return x
model = MLP()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.05)
# 复用之前的训练循环
# ...
plot_decision_boundary(model, X, y) # 显示非线性决策边界优化技巧：
-
权重初始化 ：torch.nn.init.kaiming_normal_(self.fc1.weight)
-
学习率调度 ：scheduler = torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=30, gamma=0.1)
-
梯度裁剪 ：torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm=1.0)
四. 总结
4.1 核心要点总结
附：完整训练监控代码
python
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
writer = SummaryWriter()
for epoch in range(1000):
pred = model(X)
loss = criterion(pred, y)
acc = ((pred > 0.5) == y).float().mean()
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
writer.add_scalar('Loss/train', loss.item(), epoch)
writer.add_scalar('Accuracy/train', acc.item(), epoch)
# 启动TensorBoard
# tensorboard --logdir=runs注：本文代码基于PyTorch 2.0+实现，运行前需安装：
bash
pip install torch matplotlib scikit-learn tensorboard如果本次分享对你有所帮助，记得告诉身边有需要的朋友，"我们正在经历的不仅是技术迭代，而是认知革命。当人类智慧与机器智能形成共生关系，文明的火种将在新的维度延续。"在这场波澜壮阔的文明跃迁中，主动拥抱AI时代，就是掌握打开新纪元之门的密钥，让每个人都能在智能化的星辰大海中，找到属于自己的航向。