突破 Pytorch 核心点,自动求导 !!

愤怒的蜗牛

关于pytorch中的自动求导操作,介绍有关pytorch自动求导的概念.

自动求导是深度学习框架中的一项重要功能,它允许机器学习模型自动计算梯度,进而进行参数更新和优化。

PyTorch是一个流行的深度学习框架,它通过动态计算图和自动求导机制使得梯度计算变得简单而灵活。

突破 Pytorch 核心点,自动求导 !!

自动求导

自动求导是指机器学习框架能够自动计算函数的导数(梯度),而不需要手动推导或编写导数的代码。这对于训练深度学习模型至关重要,因为模型通常包含大量参数,而手动计算梯度将是一项复杂和容易出错的任务。PyTorch通过提供自动求导功能,使得用户能够轻松地计算梯度并进行反向传播,实现模型的参数更新。

一点原理

PyTorch中的自动求导是建立在动态计算图(Dynamic Computational Graph)的基础上的。计算图是一种表示函数计算过程的图结构,其中节点表示操作,边表示数据流向。动态计算图的特点是计算图的结构可以根据实际执行过程而动态生成,而不是事先定义好。

在PyTorch中,用户执行的每个操作都被记录下来,从而构建了一个计算图。当需要计算梯度时,PyTorch可以根据这个计算图进行反向传播,自动计算出每个参数对于损失函数的梯度。这种基于动态计算图的自动求导机制使得PyTorch具有灵活性和可扩展性,适用于各种复杂的神经网络结构。

自动求导的基础操作

1. 张量(Tensor)

在PyTorch中,张量是自动求导的基础数据结构。张量是一个多维数组,类似于NumPy中的数组,但具有额外的特性,如自动求导。用户可以通过torch.Tensor类创建张量,并在其上执行各种操作。

import torch

# 创建张量
x = torch.tensor([2.0], requires_grad=True)1.2.3.4.

在上述例子中,requires_grad=True表示我们希望对这个张量进行自动求导。

2. 计算图构建

每个执行的操作都会在计算图中创建一个节点。PyTorch提供了各种张量操作,如加法、乘法、激活函数等,这些操作都会在计算图中留下痕迹。

# 张量操作
y = x ** 2z = 2 * y + 31.2.3.

在上述例子中,y和z的计算过程都被记录在计算图中。

3. 梯度计算与反向传播

一旦计算图构建完成,可以通过调用.backward()方法进行反向传播,自动计算梯度。

# 反向传播
z.backward()1.2.

此时,x的梯度可以通过访问x.grad来获取。

# 获取梯度print(x.grad)1.2.

4. 禁用梯度跟踪

有时候,我们希望禁用对某些操作的梯度跟踪,可以使用torch.no_grad()上下文管理器。

with torch.no_grad():
    # 在这个区域内的操作不会被记录在计算图中
    w = x + 11.2.3.

5. 清零梯度

在训练循环中,通常需要在每次反向传播之前将梯度清零,以避免梯度累积。

# 清零梯度
x.grad.zero_()1.2.

一个完整案例:线性回归的自动求导

为了更具体地演示自动求导的过程,让我们考虑一个简单的线性回归问题。我们定义一个线性模型和一个均方误差损失函数,并使用自动求导来优化模型参数。

import torch

# 数据准备X = torch.tensor([[1.0], [2.0], [3.0]])y = torch.tensor([[2.0], [4.0], [6.0]])# 模型参数
w = torch.tensor([[0.0]], requires_grad=True)b = torch.tensor([[0.0]], requires_grad=True)# 模型和损失函数
def linear_model(X, w, b):
    return X @ w + b

def mean_squared_error(y_pred, y_true):
    return ((y_pred - y_true) ** 2).mean()# 训练循环
learning_rate = 0.01epochs = 100for epoch in range(epochs):
    # 前向传播
    y_pred = linear_model(X, w, b)
    loss = mean_squared_error(y_pred, y)

    # 反向传播
    loss.backward()

    # 更新参数    with torch.no_grad():
        w -= learning_rate * w.grad
        b -= learning_rate * b.grad

        # 清零梯度
        w.grad.zero_()
        b.grad.zero_()# 打印最终参数print("训练后的参数:")print("权重 w:", w)print("偏置 b:", b)1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.

在这个例子中,我们定义了一个简单的线性模型和均方误差损失函数。通过多次迭代训

练循环,模型的参数w和b会被优化,使得损失函数最小化。

最后

PyTorch中的自动求导为深度学习提供了强大的支持,使得模型的训练变得更加简单和高效。

通过动态计算图和梯度计算,用户可以方便地定义复杂的神经网络结构,并通过自动求导实现梯度下降等优化算法。

这使得深度学习研究者和工程师能够更专注于模型的设计和实验,而不必担心梯度计算的细节。


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