pytorch基本运算-Python控制流梯度运算

【1】引言

前序学习进程中，已经对pytorch基本运算-梯度运算：requires_grad_(True)和backward()进行了学习，了解了pytorch求导的基本运算方法。

今天继续学习，当计算进入循环时，就进入了Python控制流，如何对Python控制流进行梯度运算就是学习目标。

【2】Python控制流循环运算对应梯度

这里我们使用一个代码实例来体会梯度运算。

首先引入模块：

python 复制代码

# 引入模块
import torch

这里的目的是引入Pytorch模块，为之后的运算构建一个Pytorch环境。

然后定义一个常数：

python 复制代码

# 定义变量a为标准正态分布的随机数，并且允许对a求导
a=torch.randn(size=(),requires_grad=True)

这个常数会代入后面的运算，这个运算先定义了一个函数：

python 复制代码

# 定义基本函数
def f(a):
    b=a*2
    print('a0=',a)
    print('b0=', b)
    k=1
    # 如果b的绝对值小于1000，b的值扩大2倍
    # 这个扩大2倍的计算循环执行，直到b的绝对值超过1000
    while b.norm()<20:
        b=b*2
        k=k+1
        print('b[',k,']=',b)
        print('k=',k)
    # 如果b本身的值非负，c的取值就是b
    # 否则c的取值是100*b
    # 返回c值
    if b.sum()>0:
        c=b
    else:
        c=100*b
    print('c=',c)
    return c

这个自定义函数首先定义了一个b=a2，然后判断b的绝对值是否小于1000，如果满足，就不断扩大两倍，直到b的绝对值大于1000。
之后根据b的实际取值，对c进行赋值，如果b是正数，c=b，否则c=100 b。

之后就很简单，直接提取循环计算的计算结果就可以：

python 复制代码

d=f(a)
# 对自定义函数的返回值求导
d.backward()
# 输出a的导数
print('a.grad=',a.grad)
# 输出d
print('d=',d)
# 输出d/a的结果
print('d/a=',d/a)
# 输出a.grad和d/a是否相等
print('a.grad==d/a=',a.grad==d/a)

这里面对循环求导数实际上定义完a.grad就够了，单位了展示细节，分别输出了a，d/a。

代码运行后，输出的实际效果为：

a= tensor(0.9862, requires_grad=True)

a0= tensor(0.9862, requires_grad=True)

b0= tensor(1.9725, grad_fn=)

b $2$ = tensor(3.9450, grad_fn=)

k= 2

b $3$ = tensor(7.8899, grad_fn=)

k= 3

b $4$ = tensor(15.7799, grad_fn=)

k= 4

b $5$ = tensor(31.5597, grad_fn=)

k= 5

c= tensor(31.5597, grad_fn=)

a.grad= tensor(32.)

d= tensor(31.5597, grad_fn=)

d/a= tensor(32., grad_fn=)

a.grad==d/a= tensor(True)

这里的最开始获得随机数a=0.9862，然后它扩大2倍赋值给b，b<1000，所以会继续不断按照2倍的速率扩大，直到b>1000，刚好计算了5次，也就是k的取值。

由于b>0，所以c的取值就是b，因为b相对a扩大了5次，所以循环计算对a的导数就是2^5=32。这个值就是d/a的结果。

如果再计算一次，a的取值为负：

a= tensor(-2.3740, requires_grad=True)

a0= tensor(-2.3740, requires_grad=True)

b0= tensor(-4.7480, grad_fn=)

b $2$ = tensor(-9.4960, grad_fn=)

k= 2

b $3$ = tensor(-18.9921, grad_fn=)

k= 3

b $4$ = tensor(-37.9842, grad_fn=)

k= 4

c= tensor(-3798.4180, grad_fn=)

a.grad= tensor(1600.)

d= tensor(-3798.4180, grad_fn=)

d/a= tensor(1600., grad_fn=)

a.grad==d/a= tensor(True)

此时b会在往负数不断变小的方向上，按照2倍的速率扩大绝对值，一共计算了4次。

由于b<0，所以c的取值就是b*100，因为b相对a扩大45次，所以循环计算对a的导数就是(2^4)*100=1600。这个值就是d/a的结果。

此时的完整代码为：

python 复制代码

# 引入模块
import torch

# 定义基本函数
def f(a):
    b=a*2
    print('a0=',a)
    print('b0=', b)
    k=1
    # 如果b的绝对值小于1000，b的值扩大2倍
    # 这个扩大2倍的计算循环执行，直到b的绝对值超过1000
    while b.norm()<20:
        b=b*2
        k=k+1
        print('b[',k,']=',b)
        print('k=',k)
    # 如果b本身的值非负，c的取值就是b
    # 否则c的取值是100*b
    # 返回c值
    if b.sum()>0:
        c=b
    else:
        c=100*b
    print('c=',c)
    return c
# 定义变量a为标准正态分布的随机数，并且允许对a求导
a=torch.randn(size=(),requires_grad=True)
# 输出a
print('a=',a)
# 将a代入自定义函数
d=f(a)
# 对自定义函数的返回值求导
d.backward()
# 输出a的导数
print('a.grad=',a.grad)
# 输出d
print('d=',d)
# 输出d/a的结果
print('d/a=',d/a)
# 输出a.grad和d/a是否相等
print('a.grad==d/a=',a.grad==d/a)

【3】总结

学习了以循环为基础的Python控制流梯度运算的基本方法。