【深度学习5】多层感知机

1、概念

将许多全连接层堆叠在一起。每一层都输出到上面的层，直到生成最后的输出。我们可以把前L-1层看作表示，把最后一层看作线性预测器。这种架构通常称为多层感知机。
活性值：使用仿射函数进行放射变换得到的结果，再对这个结果应用激活函数，此时得到的结果是活性值。
激活函数对仿射变换的结果中的元素逐个进行处理，每个元素的输出只依赖自身，和其他元素无关。激活函数（ReLU、Sigmoid、Tanh、GELU 等）是 "按元素独立运算" 的，所以计算每个隐藏单元的活性值时，不需要依赖其他隐藏单元的中间结果。
隐藏层的计算分为两步：仿射变换（z=Wx+b）→ 激活变换（a=σ(z)）。
隐藏层神经元会传递活性值，比如一个隐藏层神经元传递一个活性值，代表某一个特征，当隐藏层神经元数量足够多时，代表的特征也足够多，可以覆盖任意复杂函数的所有细节，就可以逼近任意函数。
近似定理核心逻辑：每个神经元对应一个 "局部特征 / 片段"，足够多的神经元就能覆盖任意连续函数的所有局部细节，再通过线性组合拼接，就能以任意精度逼近目标函数------ 这就是通用近似定理的核心思想。
隐藏层神经元传递的信息：表层是 "活性值 a"（0~1 或其他范围的数值），深层是 "输入是否包含该神经元关注的特征" 的筛选结果（a 越大，特征越明显）。
激活函数的角色：不是传递的信息，而是神经元 "产生传递信息" 的工具 ------ 对仿射变换的结果做非线性筛选，让神经元能输出 "有意义的特征信号"。
修正线性单元（Rectified linear unit，ReLU）：ReLU函数通过将相应的活性值设为0，仅保留正元素并丢弃所有负元素。
挤压函数（squashing function，sigmoid）：sigmoid函数将输入变换为区间(0, 1)上的输出。
tanh(双曲正切)函数：将其输入压缩转换到区间(-1, 1)上。

2、多层感知机的从零开始实现

python 复制代码

import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')  # 保证 PyCharm 可以显示图像
import matplotlib.pyplot as plt

import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets, transforms
from d2l import torch as d2l

# ================== 数据加载 ==================
batch_size = 256
transform = transforms.ToTensor()
train_dataset = datasets.FashionMNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = datasets.FashionMNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
train_iter = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_iter = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)

# ================== 模型参数 ==================
num_inputs, num_outputs, num_hiddens = 784, 10, 256

W1 = nn.Parameter(torch.randn(num_inputs, num_hiddens) * 0.01, requires_grad=True)
b1 = nn.Parameter(torch.zeros(num_hiddens, requires_grad=True))
W2 = nn.Parameter(torch.randn(num_hiddens, num_outputs) * 0.01, requires_grad=True)
b2 = nn.Parameter(torch.zeros(num_outputs, requires_grad=True))
params = [W1, b1, W2, b2]

# ================== 激活函数和模型 ==================
def relu(X):
    return torch.max(X, torch.zeros_like(X))

def net(X):
    X = X.reshape((-1, num_inputs))
    H = relu(X @ W1 + b1)
    return H @ W2 + b2

# ================== 损失函数与优化器 ==================
loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')
lr, num_epochs = 0.1, 10
updater = torch.optim.SGD(params, lr=lr)

# ================== 训练 ==================
d2l.train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, updater)

# ================== 预测可视化 ==================
X, y = next(iter(test_iter))
true_labels = [d2l.get_fashion_mnist_labels([int(i)]) for i in y[:8]]
pred_labels = [d2l.get_fashion_mnist_labels([int(i)]) for i in net(X[:8]).argmax(dim=1)]

titles = [t[0] + '\n' + p[0] for t, p in zip(true_labels, pred_labels)]
d2l.show_images(X[:8].reshape(8, 28, 28), 1, 8, titles=titles)
plt.show()  # 显示图像（PyCharm 需要显式调用）

3、多层感知机的简洁实现

python 复制代码

import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')  # ✅ 让 PyCharm 可以显示图像窗口
import matplotlib.pyplot as plt
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

# ================== 模型 ==================
net = nn.Sequential(
    nn.Flatten(),
    nn.Linear(784, 256),
    nn.ReLU(),
    nn.Linear(256, 10)
)

def init_weights(m):
    if isinstance(m, nn.Linear):
        nn.init.normal_(m.weight, std=0.01)
net.apply(init_weights)

# ================== 超参数 ==================
batch_size, lr, num_epochs = 256, 0.1, 10
loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')
trainer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr)

# ================== 数据加载 ==================
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size)

# ================== 训练 ==================
d2l.train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, trainer)

# ================== 预测（带图像显示） ==================
d2l.predict_ch3(net, test_iter)
plt.show()  # ✅ 关键：让图像在 PyCharm 弹出