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PyTorch上搭建简单神经网络实现回归和分类的示例

2020-01-04 15:18:36
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来源:转载
供稿:网友

本文介绍了PyTorch上搭建简单神经网络实现回归和分类的示例,分享给大家,具体如下:

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一、PyTorch入门

1. 安装方法

登录PyTorch官网,http://pytorch.org,可以看到以下界面:

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按上图的选项选择后即可得到Linux下conda指令:

conda install pytorch torchvision -c soumith

目前PyTorch仅支持MacOS和Linux,暂不支持Windows。安装 PyTorch 会安装两个模块,一个是torch,一个 torchvision, torch 是主模块,用来搭建神经网络的,torchvision 是辅模块,有数据库,还有一些已经训练好的神经网络等着你直接用,比如 (VGG, AlexNet, ResNet)。

2. Numpy与Torch

torch_data = torch.from_numpy(np_data)可以将numpy(array)格式转换为torch(tensor)格式;torch_data.numpy()又可以将torch的tensor格式转换为numpy的array格式。注意Torch的Tensor和numpy的array会共享他们的存储空间,修改一个会导致另外的一个也被修改。

对于1维(1-D)的数据,numpy是以行向量的形式打印输出,而torch是以列向量的形式打印输出的。

其他例如sin, cos, abs,mean等numpy中的函数在torch中用法相同。需要注意的是,numpy中np.matmul(data, data)和data.dot(data)矩阵相乘会得到相同结果;torch中torch.mm(tensor, tensor)是矩阵相乘的方法,得到一个矩阵,tensor.dot(tensor)会把tensor转换为1维的tensor,然后逐元素相乘后求和,得到与一个实数。

相关代码:

import torch import numpy as np  np_data = np.arange(6).reshape((2, 3)) torch_data = torch.from_numpy(np_data) # 将numpy(array)格式转换为torch(tensor)格式 tensor2array = torch_data.numpy()  print(   '/nnumpy array:/n', np_data,    '/ntorch tensor:', torch_data,    '/ntensor to array:/n', tensor2array,  ) # torch数据格式在print的时候前后自动添加换行符  # abs data = [-1, -2, 2, 2] tensor = torch.FloatTensor(data)  print(   '/nabs',   '/nnumpy: /n', np.abs(data),       '/ntorch: ', torch.abs(tensor)  ) # 1维的数据,numpy是行向量形式显示,torch是列向量形式显示  # sin print(   '/nsin',   '/nnumpy: /n', np.sin(data),      '/ntorch: ', torch.sin(tensor)  )  # mean print(   '/nmean',   '/nnumpy: ', np.mean(data),     '/ntorch: ', torch.mean(tensor)  )  # 矩阵相乘 data = [[1,2], [3,4]] tensor = torch.FloatTensor(data)   print(   '/nmatrix multiplication (matmul)',   '/nnumpy: /n', np.matmul(data, data),     '/ntorch: ', torch.mm(tensor, tensor)  )  data = np.array(data) print(   '/nmatrix multiplication (dot)',   '/nnumpy: /n', data.dot(data),      '/ntorch: ', tensor.dot(tensor)   ) 

3. Variable

PyTorch中的神经网络来自于autograd包,autograd包提供了Tensor所有操作的自动求导方法。

autograd.Variable这是这个包中最核心的类。可以将Variable理解为一个装有tensor的容器,它包装了一个Tensor,并且几乎支持所有的定义在其上的操作。一旦完成运算,便可以调用 .backward()来自动计算出所有的梯度。也就是说只有把tensor置于Variable中,才能在神经网络中实现反向传递、自动求导等运算。

可以通过属性 .data 来访问原始的tensor,而关于这一Variable的梯度则可通过 .grad属性查看。

相关代码:

import torch from torch.autograd import Variable  tensor = torch.FloatTensor([[1,2],[3,4]]) variable = Variable(tensor, requires_grad=True) # 打印展示Variable类型 print(tensor) print(variable)  t_out = torch.mean(tensor*tensor) # 每个元素的^ 2 v_out = torch.mean(variable*variable) print(t_out) print(v_out)  v_out.backward() # Variable的误差反向传递  # 比较Variable的原型和grad属性、data属性及相应的numpy形式 print('variable:/n', variable) # v_out = 1/4 * sum(variable*variable) 这是计算图中的 v_out 计算步骤 # 针对于 v_out 的梯度就是, d(v_out)/d(variable) = 1/4*2*variable = variable/2 print('variable.grad:/n', variable.grad) # Variable的梯度 print('variable.data:/n', variable.data) # Variable的数据 print(variable.data.numpy()) #Variable的数据的numpy形式 

部分输出结果:

variable:
Variable containing:
1 2
3 4
[torch.FloatTensor of size 2x2]
variable.grad:
Variable containing:
0.5000 1.0000
1.5000 2.0000
[torch.FloatTensor of size 2x2]
variable.data:
1 2
3 4
[torch.FloatTensor of size 2x2]
[[ 1. 2.]
[ 3. 4.]]

4. 激励函数activationfunction

Torch的激励函数都在torch.nn.functional中,relu,sigmoid, tanh, softplus都是常用的激励函数。

PyTorch,神经网络,分类,回归,神经网络分类和回归

相关代码:

import torch import torch.nn.functional as F from torch.autograd import Variable import matplotlib.pyplot as plt  x = torch.linspace(-5, 5, 200) x_variable = Variable(x) #将x放入Variable x_np = x_variable.data.numpy()  # 经过4种不同的激励函数得到的numpy形式的数据结果 y_relu = F.relu(x_variable).data.numpy() y_sigmoid = F.sigmoid(x_variable).data.numpy() y_tanh = F.tanh(x_variable).data.numpy() y_softplus = F.softplus(x_variable).data.numpy()  plt.figure(1, figsize=(8, 6))  plt.subplot(221) plt.plot(x_np, y_relu, c='red', label='relu') plt.ylim((-1, 5)) plt.legend(loc='best')  plt.subplot(222) plt.plot(x_np, y_sigmoid, c='red', label='sigmoid') plt.ylim((-0.2, 1.2)) plt.legend(loc='best')  plt.subplot(223) plt.plot(x_np, y_tanh, c='red', label='tanh') plt.ylim((-1.2, 1.2)) plt.legend(loc='best')  plt.subplot(224) plt.plot(x_np, y_softplus, c='red', label='softplus') plt.ylim((-0.2, 6)) plt.legend(loc='best')  plt.show() 

二、PyTorch实现回归

先看完整代码:

import torch from torch.autograd import Variable import torch.nn.functional as F import matplotlib.pyplot as plt  x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 100), dim=1) # 将1维的数据转换为2维数据 y = x.pow(2) + 0.2 * torch.rand(x.size())  # 将tensor置入Variable中 x, y = Variable(x), Variable(y)  #plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy()) #plt.show()  # 定义一个构建神经网络的类 class Net(torch.nn.Module): # 继承torch.nn.Module类   def __init__(self, n_feature, n_hidden, n_output):     super(Net, self).__init__() # 获得Net类的超类(父类)的构造方法     # 定义神经网络的每层结构形式     # 各个层的信息都是Net类对象的属性     self.hidden = torch.nn.Linear(n_feature, n_hidden) # 隐藏层线性输出     self.predict = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output) # 输出层线性输出    # 将各层的神经元搭建成完整的神经网络的前向通路   def forward(self, x):     x = F.relu(self.hidden(x)) # 对隐藏层的输出进行relu激活     x = self.predict(x)     return x  # 定义神经网络 net = Net(1, 10, 1) print(net) # 打印输出net的结构  # 定义优化器和损失函数 optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.5) # 传入网络参数和学习率 loss_function = torch.nn.MSELoss() # 最小均方误差  # 神经网络训练过程 plt.ion()  # 动态学习过程展示 plt.show()  for t in range(300):   prediction = net(x) # 把数据x喂给net,输出预测值   loss = loss_function(prediction, y) # 计算两者的误差,要注意两个参数的顺序   optimizer.zero_grad() # 清空上一步的更新参数值   loss.backward() # 误差反相传播,计算新的更新参数值   optimizer.step() # 将计算得到的更新值赋给net.parameters()    # 可视化训练过程   if (t+1) % 10 == 0:     plt.cla()     plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy())     plt.plot(x.data.numpy(), prediction.data.numpy(), 'r-', lw=5)     plt.text(0.5, 0, 'L=%.4f' % loss.data[0], fontdict={'size': 20, 'color': 'red'})     plt.pause(0.1) 

首先创建一组带噪声的二次函数拟合数据,置于Variable中。定义一个构建神经网络的类Net,继承torch.nn.Module类。Net类的构造方法中定义输入神经元、隐藏层神经元、输出神经元数量的参数,通过super()方法获得Net父类的构造方法,以属性的方式定义Net的各个层的结构形式;定义Net的forward()方法将各层的神经元搭建成完整的神经网络前向通路。

定义好Net类后,定义神经网络实例,Net类实例可以直接print打印输出神经网络的结构信息。接着定义神经网络的优化器和损失函数。定义好这些后就可以进行训练了。optimizer.zero_grad()、loss.backward()、optimizer.step()分别是清空上一步的更新参数值、进行误差的反向传播并计算新的更新参数值、将计算得到的更新值赋给net.parameters()。循环迭代训练过程。

运行结果:

Net (

 (hidden): Linear (1 -> 10)

 (predict): Linear (10 -> 1)

)

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三、PyTorch实现简单分类

完整代码:

import torch from torch.autograd import Variable import torch.nn.functional as F import matplotlib.pyplot as plt  # 生成数据 # 分别生成2组各100个数据点,增加正态噪声,后标记以y0=0 y1=1两类标签,最后cat连接到一起 n_data = torch.ones(100,2) # torch.normal(means, std=1.0, out=None) x0 = torch.normal(2*n_data, 1) # 以tensor的形式给出输出tensor各元素的均值,共享标准差 y0 = torch.zeros(100) x1 = torch.normal(-2*n_data, 1) y1 = torch.ones(100)  x = torch.cat((x0, x1), 0).type(torch.FloatTensor) # 组装(连接) y = torch.cat((y0, y1), 0).type(torch.LongTensor)  # 置入Variable中 x, y = Variable(x), Variable(y)  class Net(torch.nn.Module):   def __init__(self, n_feature, n_hidden, n_output):     super(Net, self).__init__()     self.hidden = torch.nn.Linear(n_feature, n_hidden)     self.out = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output)    def forward(self, x):     x = F.relu(self.hidden(x))     x = self.out(x)     return x  net = Net(n_feature=2, n_hidden=10, n_output=2) print(net)  optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.012) loss_func = torch.nn.CrossEntropyLoss()  plt.ion() plt.show()  for t in range(100):   out = net(x)   loss = loss_func(out, y) # loss是定义为神经网络的输出与样本标签y的差别,故取softmax前的值    optimizer.zero_grad()   loss.backward()   optimizer.step()    if t % 2 == 0:     plt.cla()     # 过了一道 softmax 的激励函数后的最大概率才是预测值     # torch.max既返回某个维度上的最大值,同时返回该最大值的索引值     prediction = torch.max(F.softmax(out), 1)[1] # 在第1维度取最大值并返回索引值     pred_y = prediction.data.numpy().squeeze()     target_y = y.data.numpy()     plt.scatter(x.data.numpy()[:, 0], x.data.numpy()[:, 1], c=pred_y, s=100, lw=0, cmap='RdYlGn')     accuracy = sum(pred_y == target_y)/200 # 预测中有多少和真实值一样     plt.text(1.5, -4, 'Accu=%.2f' % accuracy, fontdict={'size': 20, 'color': 'red'})     plt.pause(0.1)  plt.ioff() plt.show() 

神经网络结构部分的Net类与前文的回归部分的结构相同。

需要注意的是,在循环迭代训练部分,out定义为神经网络的输出结果,计算误差loss时不是使用one-hot形式的,loss是定义在out与y上的torch.nn.CrossEntropyLoss(),而预测值prediction定义为out经过Softmax后(将结果转化为概率值)的结果。

运行结果:

Net (

 (hidden): Linear (2 -> 10)

  (out):Linear (10 -> 2)

)

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四、补充知识

1. super()函数

在定义Net类的构造方法的时候,使用了super(Net,self).__init__()语句,当前的类和对象作为super函数的参数使用,这条语句的功能是使Net类的构造方法获得其超类(父类)的构造方法,不影响对Net类单独定义构造方法,且不必关注Net类的父类到底是什么,若需要修改Net类的父类时只需修改class语句中的内容即可。

2. torch.normal()

torch.normal()可分为三种情况:(1)torch.normal(means,std, out=None)中means和std都是Tensor,两者的形状可以不必相同,但Tensor内的元素数量必须相同,一一对应的元素作为输出的各元素的均值和标准差;(2)torch.normal(mean=0.0, std, out=None)中mean是一个可定义的float,各个元素共享该均值;(3)torch.normal(means,std=1.0, out=None)中std是一个可定义的float,各个元素共享该标准差。

3. torch.cat(seq, dim=0)

torch.cat可以将若干个Tensor组装连接起来,dim指定在哪个维度上进行组装。

4. torch.max()

(1)torch.max(input)→ float

input是tensor,返回input中的最大值float。

(2)torch.max(input,dim, keepdim=True, max=None, max_indices=None) -> (Tensor, LongTensor)

同时返回指定维度=dim上的最大值和该最大值在该维度上的索引值。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持VEVB武林网。


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