基于TensorFlow中自定义梯度的2种方式

前言

在深度学习中，有时候我们需要对某些节点的梯度进行一些定制，特别是该节点操作不可导（比如阶梯除法如 ），如果实在需要对这个节点进行操作，而且希望其可以反向传播，那么就需要对其进行自定义反向传播时的梯度。在有些场景，如[2]中介绍到的梯度反转(gradient inverse)中，就必须在某层节点对反向传播的梯度进行反转，也就是需要更改正常的梯度传播过程，如下图的 所示。

在tensorflow中有若干可以实现定制梯度的方法，这里介绍两种。

1. 重写梯度法

重写梯度法指的是通过tensorflow自带的机制，将某个节点的梯度重写(override)，这种方法的适用性最广。我们这里举个例子[3].

符号函数的前向传播采用的是阶跃函数y=sign(x) y = /rm{sign}(x)y=sign(x)，如下图所示，我们知道阶跃函数不是连续可导的，因此我们在反向传播时，将其替代为一个可以连续求导的函数y=Htanh(x) y = /rm{Htanh(x)}y=Htanh(x)，于是梯度就是大于1和小于-1时为0，在-1和1之间时是1。

使用重写梯度的方法如下，主要是涉及到tf.RegisterGradient()和tf.get_default_graph().gradient_override_map()，前者注册新的梯度，后者重写图中具有名字name='Sign'的操作节点的梯度，用在新注册的QuantizeGrad替代。

#使用修饰器，建立梯度反向传播函数。其中op.input包含输入值、输出值，grad包含上层传来的梯度@tf.RegisterGradient("QuantizeGrad")def sign_grad(op, grad): input = op.inputs[0] # 取出当前的输入 cond = (input>=-1)&(input<=1) # 大于1或者小于-1的值的位置 zeros = tf.zeros_like(grad) # 定义出0矩阵用于掩膜 return tf.where(cond, grad, zeros)  # 将大于1或者小于-1的上一层的梯度置为0 #使用with上下文管理器覆盖原始的sign梯度函数def binary(input): x = input with tf.get_default_graph().gradient_override_map({"Sign":'QuantizeGrad'}): #重写梯度  x = tf.sign(x) return x #使用x = binary(x)

其中的def sign_grad(op, grad):是注册新的梯度的套路，其中的op是当前操作的输入值/张量等，而grad指的是从反向而言的上一层的梯度。

通常来说，在tensorflow中自定义梯度，函数tf.identity()是很重要的，其API手册如下：

tf.identity( input, name=None)

其会返回一个形状和内容都和输入完全一样的输出，但是你可以自定义其反向传播时的梯度，因此在梯度反转等操作中特别有用。

这里再举个反向梯度[2]的例子，也就是梯度为 而不是

import tensorflow as tfx1 = tf.Variable(1)x2 = tf.Variable(3)x3 = tf.Variable(6)@tf.RegisterGradient('CustomGrad')def CustomGrad(op, grad):#  tf.Print(grad) return -grad g = tf.get_default_graph()oo = x1+x2with g.gradient_override_map({"Identity": "CustomGrad"}): output = tf.identity(oo)grad_1 = tf.gradients(output, oo)with tf.Session() as sess: sess.run(tf.global_variables_initializer()) print(sess.run(grad_1))

因为-grad，所以这里的梯度输出是[-1]而不是[1]。有一个我们需要注意的是，在自定义函数def CustomGrad()中，返回的值得是一个张量，而不能返回一个参数，比如return 0，这样会报错，如：