神经网络中 标量求导和向量求导

0. 引出问题

在神经网络反向传播过程中 loss = [loss₁,loss₂, loss₃],为什么 ∂loss/∂w

bash 复制代码
∂loss₁/∂w 
∂loss₂/∂w
∂loss₃/∂w 

∂loss₁/∂w 和 loss 维度一样都是三位向量 ,[∂loss₁/∂w, ∂loss₂/∂w, ∂loss₃/∂w] 就变成3*3的矩阵

如下所示:

bash 复制代码
import torch

w = torch.tensor([1.0, 2.0,3.0], requires_grad=True)
loss = w * 3  
print("loss: \n", loss)


loss_m = []

for i, val in enumerate(loss):
    w.grad = None  # 清零
    val.backward(retain_graph=True)
    print(f"∂loss{i+1}/∂w = {w.grad}")
    loss_m.append(w.grad.clone())

print("loss_m: \n", torch.stack(loss_m))

输出结果:

bash 复制代码
loss: 
 tensor([3., 6., 9.], grad_fn=<MulBackward0>)

∂loss1/∂w = tensor([3., 0., 0.])
∂loss2/∂w = tensor([0., 3., 0.])
∂loss3/∂w = tensor([0., 0., 3.])

loss_m: 
 tensor([[3., 0., 0.],
        [0., 3., 0.],
        [0., 0., 3.]])

loss: tensor([3., 6., 9.]) 为向量,对w求导时为矩阵

但是 w.grad 必须 是标量或张量,不能是向量矩阵

1. 标量求导

bash 复制代码
import torch

w = torch.tensor([1.0, 2.0,3.0], requires_grad=True)
loss = w * 3  
print("loss: \n", loss)


loss_m = []
# 方法1:分别计算
for i, val in enumerate(loss):
    w.grad = None  # 清零
    val.backward(retain_graph=True)
    print(f"∂loss{i+1}/∂w = {w.grad}")
    loss_m.append(w.grad.clone())

print("loss_m: \n", torch.stack(loss_m))

grads = torch.autograd.grad(loss.sum(), w,retain_graph=True)
print("grads: \n", grads)  

grads1 = torch.autograd.grad(loss.mean(), w)[0]
print("grads1: \n", grads1) 

输出;

bash 复制代码
loss: 
 tensor([3., 6., 9.], grad_fn=<MulBackward0>)
∂loss1/∂w = tensor([3., 0., 0.])
∂loss2/∂w = tensor([0., 3., 0.])
∂loss3/∂w = tensor([0., 0., 3.])
loss_m: 
 tensor([[3., 0., 0.],
        [0., 3., 0.],
        [0., 0., 3.]])
grads: 
 (tensor([3., 3., 3.]),)
grads1: 
 tensor([1., 1., 1.])

同样的例子:

python 复制代码
import torch

# 3个样本的真实数据
x = torch.tensor([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0], [5.0, 6.0]], requires_grad=True)
y_true = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0])

# 线性模型:y = w₁x₁ + w₂x₂
w = torch.tensor([0.5, 0.5], requires_grad=True)
predictions = (x @ w)  # [1.5, 3.5, 5.5]
print("预测值:", predictions)
# 计算每个样本的梯度
individual_grads = []
for i in range(3):
    loss = (predictions[i] - y_true[i])**2
    loss.backward(retain_graph=True)
    individual_grads.append(w.grad.clone())
    w.grad.zero_()

print("样本1梯度:", individual_grads[0]) 
print("样本2梯度:", individual_grads[1])  
print("样本3梯度:", individual_grads[2])  

# 标量梯度:自动综合
total_loss = ((predictions - y_true)**2).mean()
total_loss.backward()


# 验证:标量梯度 = 向量梯度的平均
manual_average = (individual_grads[0] + 
                  individual_grads[1] + 
                  individual_grads[2]) / 3
                  
print("手动平均:", manual_average)  
print("标量结果:", w.grad)  

输出结果:

bash 复制代码
预测值: tensor([1.5000, 3.5000, 5.5000], grad_fn=<MvBackward0>)
样本1梯度: tensor([1., 2.])
样本2梯度: tensor([ 9., 12.])
样本3梯度: tensor([25., 30.])
手动平均: tensor([11.6667, 14.6667])
标量结果: tensor([11.6667, 14.6667])

训练神经网络是为了最小化整体损失,不是单独优化每个样本

python 复制代码
# 实际训练:最小化平均损失
batch_loss = individual_losses.mean()  # 标量
batch_loss.backward()  # 得到平均梯度
optimizer.step()       # 朝平均最优方向更新

2. 什么时候需要向量梯度?

仅用于研究:分析样本敏感性

python 复制代码
def compute_sample_gradients(model, x, y):
    """仅用于分析,不用于训练"""
    grads = []
    for xi, yi in zip(x, y):
        model.zero_grad()
        pred = model(xi.unsqueeze(0))
        loss = ((pred - yi) ** 2)
        loss.backward()
        grads.append(model.weight.grad.clone())
    return grads  # 每个样本的单独梯度
相关推荐
墨北小七10 小时前
使用InspireFace进行智慧楼宇门禁人脸识别的训练微调
人工智能·深度学习·神经网络
HackTorjan10 小时前
深度神经网络的反向传播与梯度优化原理
人工智能·spring boot·神经网络·机器学习·dnn
数智工坊10 小时前
【Mask2Former论文阅读】:基于掩码注意力的通用分割Transformer,大一统全景/实例/语义分割
论文阅读·深度学习·transformer
fpcc11 小时前
AI和大模型——Fine-tuning
人工智能·深度学习
AI医影跨模态组学12 小时前
如何将纵向MRI深度学习特征与局部晚期直肠癌新辅助放化疗后的免疫微环境建立关联,并解释其对pCR及预后的机制
人工智能·深度学习·论文·医学·医学影像·影像组学
生成论实验室13 小时前
《事件关系阴阳博弈动力学:识势应势之道》第四篇:降U动力学——认知确定度的自驱演化
人工智能·科技·神经网络·算法·架构
冰西瓜60014 小时前
深度学习的数学原理(三十三)—— Transformer编码器完整实现
人工智能·深度学习·transformer
我是大聪明.15 小时前
CUDA矩阵乘法优化:共享内存分块与Warp级执行机制深度解析
人工智能·深度学习·线性代数·机器学习·矩阵
码云数智-大飞16 小时前
大模型幻觉:成因解析与有效避免策略
人工智能·深度学习
木枷16 小时前
rl/swe/sft相关论文列表
人工智能·深度学习