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神经网络

原文：https://pytorch.org/tutorials/beginner/blitz/neural_networks_tutorial.html#sphx-glr-beginner-blitz-neural-networks-tutorial-py

可以使用torch.nn包构建神经网络。

现在您已经了解了autograd，nn依赖于autograd来定义模型并对其进行微分。 nn.Module包含层，以及返回output的方法forward(input)。

例如，查看以下对数字图像进行分类的网络：

convnet

卷积网

这是一个简单的前馈网络。 它获取输入，将其一层又一层地馈入，然后最终给出输出。

神经网络的典型训练过程如下：

  • 定义具有一些可学习参数（或权重）的神经网络
  • 遍历输入数据集
  • 通过网络处理输入
  • 计算损失（输出正确的距离有多远）
  • 将梯度传播回网络参数
  • 通常使用简单的更新规则来更新网络的权重：weight = weight - learning_rate * gradient

定义网络

让我们定义这个网络：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Net(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        # 1 input image channel, 6 output channels, 3x3 square convolution
        # kernel
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 3)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 3)
        # an affine operation: y = Wx + b
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 6 * 6, 120)  # 6*6 from image dimension
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        # Max pooling over a (2, 2) window
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))
        # If the size is a square you can only specify a single number
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)
        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    def num_flat_features(self, x):
        size = x.size()[1:]  # all dimensions except the batch dimension
        num_features = 1
        for s in size:
            num_features *= s
        return num_features

net = Net()
print(net)

出：

Net(
  (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
  (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
  (fc1): Linear(in_features=576, out_features=120, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)
  (fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)
)

您只需要定义forward函数，就可以使用autograd为您自动定义backward函数（计算梯度）。 您可以在forward函数中使用任何张量操作。

模型的可学习参数由net.parameters()返回

params = list(net.parameters())
print(len(params))
print(params[0].size())  # conv1's .weight

出：

10
torch.Size([6, 1, 3, 3])

让我们尝试一个32x32随机输入。 注意：该网络的预期输入大小（LeNet）为32x32。 要在 MNIST 数据集上使用此网络，请将图像从数据集中调整为32x32。

input = torch.randn(1, 1, 32, 32)
out = net(input)
print(out)

出：

tensor([[ 0.1002, -0.0694, -0.0436,  0.0103,  0.0488, -0.0429, -0.0941, -0.0146,
         -0.0031, -0.0923]], grad_fn=<AddmmBackward>)

使用随机梯度将所有参数和反向传播的梯度缓冲区归零：

net.zero_grad()
out.backward(torch.randn(1, 10))

注意

torch.nn仅支持小批量。 整个torch.nn包仅支持作为微型样本而不是单个样本的输入。

例如，nn.Conv2d将采用nSamples x nChannels x Height x Width的 4D 张量。

如果您只有一个样本，只需使用input.unsqueeze(0)添加一个假批量尺寸。

在继续之前，让我们回顾一下到目前为止所看到的所有类。

回顾：

  • torch.Tensor-一个多维数组，支持诸如backward()的自动微分操作。 同样，保持相对于张量的梯度。
  • nn.Module-神经网络模块。 封装参数的便捷方法，并带有将其移动到 GPU，导出，加载等的帮助器。
  • nn.Parameter-一种张量，即将其分配为Module的属性时，自动注册为参数。
  • autograd.Function-实现自动微分操作的正向和反向定义。 每个Tensor操作都会创建至少一个Function节点，该节点连接到创建Tensor的函数，并且编码其历史记录。

目前为止，我们涵盖了：

  • 定义神经网络
  • 处理输入并向后调用

仍然剩下：

  • 计算损失
  • 更新网络的权重

损失函数

损失函数采用一对（输出，目标）输入，并计算一个值，该值估计输出与目标之间的距离。

nn包下有几种不同的损失函数。 一个简单的损失是：nn.MSELoss，它计算输入和目标之间的均方误差。

例如：

output = net(input)
target = torch.randn(10)  # a dummy target, for example
target = target.view(1, -1)  # make it the same shape as output
criterion = nn.MSELoss()

loss = criterion(output, target)
print(loss)

出：

tensor(0.4969, grad_fn=<MseLossBackward>)

现在，如果使用.grad_fn属性向后跟随loss，您将看到一个计算图，如下所示：

input -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> conv2d -> relu -> maxpool2d
      -> view -> linear -> relu -> linear -> relu -> linear
      -> MSELoss
      -> loss

因此，当我们调用loss.backward()时，整个图将被微分。 损失，并且图中具有requires_grad=True的所有张量将随梯度累积其.grad张量。

为了说明，让我们向后走几步：

print(loss.grad_fn)  # MSELoss
print(loss.grad_fn.next_functions[0][0])  # Linear
print(loss.grad_fn.next_functions[0][0].next_functions[0][0])  # ReLU

出：

<MseLossBackward object at 0x7f1ba05a1ba8>
<AddmmBackward object at 0x7f1ba05a19e8>
<AccumulateGrad object at 0x7f1ba05a19e8>

反向传播

要反向传播误差，我们要做的只是对loss.backward()。 不过，您需要清除现有的梯度，否则梯度将累积到现有的梯度中。

现在，我们将其称为loss.backward()，然后看一下向后前后conv1的偏差梯度。

net.zero_grad()     # zeroes the gradient buffers of all parameters

print('conv1.bias.grad before backward')
print(net.conv1.bias.grad)

loss.backward()

print('conv1.bias.grad after backward')
print(net.conv1.bias.grad)

出：

conv1.bias.grad before backward
tensor([0., 0., 0., 0., 0., 0.])
conv1.bias.grad after backward
tensor([ 0.0111, -0.0064,  0.0053, -0.0047,  0.0026, -0.0153])

现在，我们已经看到了如何使用损失函数。

稍后阅读：

神经网络包包含各种模块和损失函数，这些模块和损失函数构成了深度神经网络的构建块。 带有文档的完整列表位于此处。

唯一需要学习的是：

  • 更新网络的权重

更新权重

实践中使用的最简单的更新规则是随机梯度下降（SGD）：

weight = weight - learning_rate * gradient

我们可以使用简单的 Python 代码实现此目标：

learning_rate = 0.01
for f in net.parameters():
    f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)

但是，在使用神经网络时，您希望使用各种不同的更新规则，例如 SGD，Nesterov-SGD，Adam，RMSProp 等。为实现此目的，我们构建了一个小包装：torch.optim，可实现所有这些方法。 使用它非常简单：

import torch.optim as optim

# create your optimizer
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01)

# in your training loop:
optimizer.zero_grad()   # zero the gradient buffers
output = net(input)
loss = criterion(output, target)
loss.backward()
optimizer.step()    # Does the update

注意

观察如何使用optimizer.zero_grad()将梯度缓冲区手动设置为零。 这是因为如反向传播部分中所述累积了梯度。

脚本的总运行时间：（0 分钟 3.778 秒）

下载 Python 源码：neural_networks_tutorial.py

下载 Jupyter 笔记本：neural_networks_tutorial.ipynb

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