pytorch神经网络基础

torch简介

torch和numpy

import torch
import numpy as np
np_data=np.arange(6).reshape((2,3))
torch_data=torch.from_numpy(np_data)
tensor2array=torch_data.numpy()
print(np_data,"\n",torch_data,"\n",tensor2array)

torch的数学运算

data=[-1,-2,1,2]
tensor=torch.FloatTensor(data)
# 绝对值abs
print(np.abs(data),"\n",torch.abs(tensor))
#三角函数sin
print(np.sin(data),"\n",torch.sin(tensor))
#mean均值
print(np.mean(data),"\n",torch.mean(tensor))

# np.dot (x,y)是用于计算两个数组的点积，即对应元素相乘再相加，
# 而np.matmul (x,y)则是用于计算两个数组的矩阵乘积
data=[[1,2],[3,4]]
tensor=torch.FloatTensor(data)
print(np.matmul(data,data),"\n",torch.mm(tensor,tensor))

变量（variable）

在PyTorch中，Variable在早期版本中用于自动求导（autograd）的功能，但从PyTorch 0.4.0版本开始，Variable已经被弃用，取而代之的是Tensor的功能。因此，如果你使用的是PyTorch 0.4.0或更新版本，你不再需要使用Variable。

以下是Variable和普通的变量（如Tensor）之间的一些区别，以及在新版本中的情况：

1. 自动求导（Autograd）:

   • Variable在早期版本中主要用于自动求导。你可以使用Variable包装一个Tensor，并在其上进行操作，PyTorch会跟踪这些操作以计算梯度。但在新版本中，Tensor自身具有自动求导功能，无需Variable。

2. In-Place操作:

   • 在早期版本中，Variable支持in-place操作（如var.data += 1），但这不是推荐的做法。在新版本中，in-place操作被明确禁止，以避免梯度计算中的错误。你应该使用.data属性来访问Tensor的数据，并避免in-place操作。

3. 性能:

   • Variable的引入会增加一些额外的开销，因为它需要跟踪操作以进行自动求导。在新版本中，Tensor的性能更高，因为它不再需要这些额外的开销。

所以，总的来说，在PyTorch的新版本中，你应该使用Tensor而不是Variable来处理数据，因为Tensor包括了Variable的所有功能，而且性能更好。如果你在早期版本中使用Variable，你可能需要考虑升级你的代码以适应新的PyTorch版本。

什么是激励函数（activation function）

其实就是另外一个非线性函数. 比如说relu, sigmoid, tanh. 使得输出结果 y 也有了非线性的特征.

激励函数（activation）

一句话概括 Activation: 就是让神经网络可以描述非线性问题的步骤, 是神经网络变得更强大.

import torch
import torch.nn.functional as F  # 激励函数都在这里

# 做一些假数据来观看图像
x=torch.linspace(-5,5,100)  # x data (tensor), shape=(100, 1)
print(x)
x_np=x.numpy()  # 换成 numpy array, 出图时用

# 几种常用的激励函数
y_relu=F.relu(x).numpy()
y_sigmoid=torch.sigmoid(x).numpy()
y_sigmoid=F.sigmoid(x).numpy()
y_tanh=torch.tanh(x).numpy()
y_softplus=F.softplus(x).numpy()

# 画图部分还没看matplotlib，后续再补充
import matplotlib.pyplot as plt  # python 的可视化模块, 我有教程 (https://mofanpy.com/tutorials/data-manipulation/plt/)

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()

torch.sigmoid(x) 和 F.sigmoid(x) 都是计算输入张量 x 上的 sigmoid 函数，它们的输出结果是一样的。在最新版本的PyTorch中，通常建议使用 torch.sigmoid(x)，而不再需要导入torch.nn.functional中的F.sigmoid(x)，因为PyTorch的最新版本中已经将这些激活函数作为张量的方法进行了实现。

所以，以下两行代码是等价的：

y_sigmoid = torch.sigmoid(x).numpy()
y_sigmoid = F.sigmoid(x).numpy()  # 在最新版本的PyTorch中也是有效的，但不推荐

通常情况下，建议使用 torch.sigmoid(x)，因为它更符合PyTorch的现代风格。

建造第一个神经网络

关系拟合（回归）

要点

看神经网络是如何通过简单的形式将一群数据用一条线条来表示。

或者说, 是如何在数据当中找到他们的关系, 然后用神经网络模型来建立一个可以代表他们关系的线条。

建立数据集

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

x=torch.unsqueeze(torch.linspace(-1,1,100),dim=1)
y=x.pow(2)+0.2*torch.rand_like(x)

plt.scatter(x.numpy(),y.numpy())
plt.show()

x=torch.unsqueeze(torch.linspace(-1,1,100),dim=1)

这行代码使用了PyTorch库来创建一个包含100个元素的张量（tensor），该张量的值是从-1到1均匀分布的。

让我们一步一步来解释这行代码：

1. torch.linspace(-1, 1, 100)：这部分代码使用torch.linspace函数创建一个从-1到1的等间距数列，其中包含100个数值。torch.linspace函数的第一个参数是起始值（-1），第二个参数是结束值（1），第三个参数是要生成的数值的数量（100）。这将生成一个张量，其中包含了从-1到1之间的100个均匀分布的数值。

2. torch.unsqueeze(..., dim=1)：接下来，torch.unsqueeze函数被用来在张量中添加一个维度（dimension）。dim=1参数指定了要在哪个位置添加维度。在这里，我们将在第1维（即列维度）上添加一个维度。这将把原始的一维张量（形状为(100,)）变成一个二维张量（形状为(100, 1)），其中有100行和1列。

最终的结果是一个形状为(100, 1)的二维张量，其中包含了从-1到1均匀分布的100个数值，每个数值都位于独立的行中。这种形式的张量通常在机器学习和深度学习中用于输入数据的处理，特别是当处理单个特征的数据时，常常需要将其转换为二维张量。

y=x.pow(2)+0.2*torch.rand_like(x)

这一行首先计算了 x 的平方，然后加上了一些噪声。让我们逐步解释：

• x.pow(2)：这部分代码计算了 x 中每个元素的平方。因为 x 是一个 PyTorch 张量，所以这个操作会对 x 中的每个元素都进行平方操作，生成一个新的张量，形状与 x 相同，但每个元素都是原来的元素的平方。

• 0.2*torch.rand_like(x)：这部分代码生成了一个与 x 具有相同形状的张量，但其中的每个元素都是从均匀分布 [0, 1) 中随机采样的数值，并且每个数值都乘以0.2。这个操作引入了一些噪声，将其与平方项相加，以创建一个新的张量 y。

最终，y 包含了与 x 对应的平方项加上一些随机噪声，因此它是一个形状相同的二维张量，其中包含了与 x 相关的数值。这种操作常见于机器学习中的回归任务，其中 x 可能表示输入特征，而 y 表示对应的目标值（或标签），噪声用于模拟现实世界中的不确定性和随机性。这种情况下，模型的任务是拟合从 x 到 y 的映射关系。

建立神经网络

# 建立神经网络
import torch
import torch.nn as nn
class Net(nn.Module):
    # 搭建我们的层数时要用到的信息
    def __init__(self,n_feature,n_hidden,n_output):
        super(Net,self).__init__()   #可以暂时理解为初始化，这块要弄清楚是有难度的
        self.hidden=nn.Linear(n_feature,n_hidden)#隐藏层，关心有多少个输入，有多少个神经元个数
        self.predict=nn.Linear(n_hidden,n_output)#输出层，关心有多少个输入（从隐藏层而来的神经元），有多少个输出
    # 神经网络前向传递的过程，真正开始搭建神经网络
    def forward(self,x):
        x=torch.relu(self.hidden(x))#我们的x过了一个hidden层，输出了n_hidden个神经元的个数
        x=self.predict(x) #输出层接受x并输出结果
        # 为什么我们的预测不用激励函数呢。因为在大多数的情况下回归问题的取值可以从负无穷到正无穷，
        #而用了激励函数，会把取值范围截断一部分
        return x
net=Net(n_feature=1,n_hidden=10,n_output=1)
print(net)

在这段代码中，self.hidden 和 self.predict 是神经网络模型 Net 类的成员变量（或属性），它们分别用来表示神经网络的隐藏层和输出层。这些成员变量的值来自于PyTorch中的 nn.Linear 类，它是PyTorch中用于创建线性层的类。

让我更详细地解释这些成员变量的来源：

1. self.hidden = nn.Linear(n_feature, n_hidden)：

   • 这一行代码创建了一个名为 hidden 的成员变量，并将其初始化为一个 nn.Linear 对象。
   • nn.Linear 类表示一个线性层，通常用于神经网络的前向传播。这个线性层将具有 n_feature 个输入特征和 n_hidden 个神经元。
   • 在神经网络的前向传播过程中，输入数据将通过 self.hidden 这个线性层，并且在传递时会经过线性变换，然后传递给激活函数（在你的代码中是ReLU），最终产生隐藏层的输出。

2. self.predict = nn.Linear(n_hidden, n_output)：

   • 类似地，这一行代码创建了一个名为 predict 的成员变量，并将其初始化为另一个 nn.Linear 对象。
   • 这个 nn.Linear 对象表示输出层，它接受来自隐藏层的输出（n_hidden 个输入特征）并生成模型的最终输出，通常在回归任务中，输出层只有一个神经元。

这些 nn.Linear 层是PyTorch中提供的模块，它们封装了神经网络中的线性变换操作，可以自动进行权重初始化以及在模型的反向传播中计算梯度。这简化了神经网络的构建和训练过程，因为你只需要定义网络的结构，而不必手动管理权重和梯度。这些操作都由PyTorch的自动微分系统自动处理。

训练网络

# 训练网路
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
# 创建优化器和损失函数
optimizer=optim.SGD(net.parameters(),lr=0.2)
loss_func=nn.MSELoss()
for t in range(100):
    prediction=net(x)               # 喂给net训练数据x，输出预测值
    loss=loss_func(prediction,y)    # 计算两者的误差
    optimizer.zero_grad()           # 清空上一步的残余更新参数值
    loss.backward()                 # 误差反向传播，计算参数更新值
    optimizer.step()                # 将参数更新值施加到net的parameters上
    print(loss)

可视化训练过程

后面学了matplotlib再放

区分类型（分类）

要点

我们来看看神经网络是怎么进行事物的分类

建立数据集

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

# 生成随机数据
n_data = torch.ones(100, 2)
print(n_data[:5])
x0 = torch.normal(2 * n_data, 1)
print(x0[:5])
y0 = torch.zeros(100, dtype=torch.long)
print(y0[:5])
x1 = torch.normal(-2 * n_data, 1)
print(x1[:5])
y1 = torch.ones(100, dtype=torch.long)
print(y1[:5])

# 合并数据
x = torch.cat((x0, x1), 0)
print(x[:5])
y = torch.cat((y0, y1))
print(y)
# 绘制散点图
plt.scatter(x[:, 0], x[:, 1], c=y, s=100, lw=0, cmap='RdYlGn')
plt.show()

在PyTorch中，数据类型（dtype）是一个非常重要的概念，它指定了张量中元素的数据类型。在代码中，y0 = torch.zeros(100, dtype=torch.long) 将创建一个包含100个零的张量，并将其数据类型设置为 torch.long。

加入 dtype=torch.long 的原因是，通常在深度学习中，torch.long 数据类型被用来表示整数类型的标签或类别。在分类任务中，标签通常是整数，每个整数代表一个不同的类别。例如，如果你正在处理一个图像分类任务，每个图像的类别标签可以是从0到（类别总数-1）的整数，这些整数用来表示不同的类别。

设置数据类型为 torch.long 有两个主要作用：

1. 确保整数类型的存储：torch.long 数据类型确保了张量中的元素都是整数。这是因为默认情况下，PyTorch 创建的张量可能具有 torch.float32（32位浮点数）数据类型，但类别标签应该是整数，因此需要显式设置数据类型为 torch.long 以确保它们被解释为整数。

2. 与损失函数兼容：许多损失函数（例如交叉熵损失）要求标签是整数类型，因此将标签的数据类型设置为 torch.long 可以确保它们与损失函数兼容，而不会引发数据类型不匹配的错误。

总之，dtype=torch.long 的设置是为了明确指定标签张量的数据类型为整数类型，以确保与深度学习任务中的标签和损失函数兼容。如果标签是整数，通常都应该使用这种设置。

torch.cat() 是PyTorch中的一个张量拼接函数，用于将多个张量沿指定的维度进行拼接（连接）操作。这个函数的目的是将多个张量合并成一个更大的张量。让我们详细解释一下 torch.cat() 函数的用法和参数：

torch.cat(tensors, dim=0, out=None) -> Tensor

参数说明：

• tensors：一个包含要拼接的张量（可以是一个张量列表或元组）。
• dim：指定拼接的维度。默认是0，表示在第一个维度上进行拼接，即按行拼接。
• out：可选参数，用于指定输出张量，如果不提供将会创建一个新的张量来保存拼接后的结果。

示例：

import torch

# 创建两个张量
x = torch.tensor([[1, 2], [3, 4]])
y = torch.tensor([[5, 6]])

# 在第一个维度上拼接（按行拼接）
result = torch.cat((x, y), dim=0)
print(result)

在这个示例中，我们创建了两个张量 x 和 y，然后使用 torch.cat() 函数将它们在第一个维度（按行）上进行拼接。结果是一个新的张量 result，其中包含了两个原始张量的内容：

tensor([[1, 2],
        [3, 4],
        [5, 6]])

torch.cat() 可以用于在任何维度上进行拼接操作，你可以根据需要选择合适的维度。这在深度学习中经常用于连接不同批次的数据、连接不同特征的数据等各种情况。

plt.scatter(x[:, 0], x[:, 1], c=y, s=100, lw=0, cmap='RdYlGn')

这行代码使用了Matplotlib库的 scatter 函数来创建一个散点图，以可视化数据点。让我们逐个参数来解释这行代码：

1. x[:, 0] 和 x[:, 1]：这部分代码使用索引操作从 x 中选择特定的列。假设 x 是一个二维张量，这里 x[:, 0] 表示选择所有行的第一个特征，而 x[:, 1] 表示选择所有行的第二个特征。这将分别用作散点图的 x 和 y 坐标。

2. c=y：这是 c 参数，用于设置散点的颜色。通常，c 接受一个数组，表示每个数据点的颜色。在这里，y 可能是一个数组，其中包含与 x 对应的类别或标签。这将根据标签值决定每个数据点的颜色，以区分不同的数据类别。

3. s=100：这是 s 参数，用于设置散点的大小。在这里，所有的散点都设置为相同的大小，大小为100。

4. lw=0：这是 lw 参数，用于设置散点的边界线宽度（linewidth）。在这里，将边界线的宽度设置为0，表示没有边界线。

5. cmap='RdYlGn'：这是 cmap 参数，用于设置颜色映射。它指定了用于将不同的标签值映射到不同颜色的颜色映射表。在这里，使用了名为 ‘RdYlGn’ 的颜色映射，它代表了一种从红色到黄色再到绿色的颜色渐变。

综合起来，这行代码创建了一个散点图，其中每个数据点的 x 和 y 坐标由 x 的两个特征决定，颜色由 y 的值决定，散点的大小相同，没有边界线，并且使用 ‘RdYlGn’ 的颜色映射表来表示不同的标签值。这种可视化方式有助于可视化数据的分布和类别信息，特别是在二维空间中。

建立神经网络

# 建立神经网络
import torch
import torch.nn as nn
class Net(nn.Module):
    def __init__(self,n_feature,n_hidden,n_output):
        super(Net,self).__init__()
        self.hidden=nn.Linear(n_feature,n_hidden)
        self.out=nn.Linear(n_hidden,n_output)
    def forward(self,x):
        x=torch.relu(self.hidden(x))
        x=self.out(x)
        return x
net=Net(n_feature=2,n_hidden=10,n_output=2)
print(net)

训练网络

# 训练网络

import torch.optim as optim

# 创建优化器和损失函数
optimizer=optim.SGD(net.parameters(),lr=0.02)
loss_func=nn.CrossEntropyLoss()

for t in range(100):
    out=net(x)#喂给net训练数据x，输出分析值
    loss=loss_func(out,y)#计算两者的误差
    optimizer.zero_grad()#清空上一步的残余更新参数值
    loss.backward()#误差反向传播，计算参数更新值
    optimizer.step()#将参数更新值施加到net的parameters上
    print(loss)

可视化训练过程

后续再补充

快速搭建法

要点

Torch 中提供了很多方便的途径, 同样是神经网络, 能快则快, 我们看看如何用更简单的方式搭建同样的回归神经网络.

快速搭建

我们之前是这样子搭建神经网络

import torch
import torch.nn as nn
class Net(nn.Module):
    # 搭建我们的层数时要用到的信息
    def __init__(self,n_feature,n_hidden,n_output):
        super(Net,self).__init__()   #可以暂时理解为初始化，这块要弄清楚是有难度的
        self.hidden=nn.Linear(n_feature,n_hidden)#隐藏层，关心有多少个输入，有多少个神经元个数
        self.predict=nn.Linear(n_hidden,n_output)#输出层，关心有多少个输入（从隐藏层而来的神经元），有多少个输出
    # 神经网络前向传递的过程，真正开始搭建神经网络
    def forward(self,x):
        x=torch.relu(self.hidden(x))#我们的x过了一个hidden层，输出了n_hidden个神经元的个数
        x=self.predict(x) #输出层接受x并输出结果
        # 为什么我们的预测不用激励函数呢。因为在大多数的情况下回归问题的取值可以从负无穷到正无穷，
        #而用了激励函数，会把取值范围截断一部分
        return x
net=Net(n_feature=1,n_hidden=10,n_output=1)
print(net)

上面我们用 class 继承了一个 torch 中的神经网络结构, 然后对其进行了修改, 不过还有更快的方法

import torch.nn as nn
net=nn.Sequential(
    nn.Linear(1,10),
    nn.ReLU(),
    nn.Linear(10,1)
)
print(net)

两种方法都可以用于构建神经网络，每种方法有其优点和适用场景。让我解释一下它们的优缺点以及何时使用哪种方法：

1. 自定义类方法（第一个示例）：

• 优点：

  • 更灵活：你可以定义自己的前向传播逻辑，可以实现非常复杂的模型结构。
  • 易于理解和调试：因为你可以明确地看到每个层的定义和前向传播的计算过程，更容易理解和调试。

• 缺点：

  • 代码量较多：相对来说，需要编写更多的代码来定义每个层和前向传播的逻辑。
  • 可读性较差：对于简单的模型，可能会感到冗长，不够紧凑。

2. Sequential 方法（第二个示例）：

• 优点：

  • 简洁：使用 nn.Sequential 可以更紧凑地定义模型结构，特别适合简单的线性模型。
  • 减少代码量：避免了手动定义每个层的繁琐过程。

• 缺点：

  • 有限灵活性：nn.Sequential 适用于线性堆叠的模型结构，对于复杂的模型结构和非线性连接不够灵活。
  • 难以定制：如果需要在不同层之间添加自定义操作或者非线性激活函数，使用 nn.Sequential 可能会不方便。

何时使用哪种方法取决于你的需求：

• 自定义类方法 更适合需要灵活性的情况，例如：

  • 当你需要定义复杂的非线性模型结构时。
  • 当你想要添加自定义操作或层之间的复杂连接时。
  • 当你需要更详细的控制权和可调试性。

• Sequential 方法 更适合简单的线性模型或者需要紧凑表示的情况，例如：

  • 当你构建简单的线性堆叠模型时（例如，多层感知器）。
  • 当你只需要一系列简单的层按顺序连接，不需要复杂的结构。

通常，如果你的模型足够简单，可以使用 nn.Sequential 来简化代码。但如果你需要更高级的功能、更复杂的模型结构或者更多的控制权，那么自定义类方法会更有优势。在实践中，你可能会在不同的情况下使用这两种方法，根据任务的复杂性和要求来选择合适的方式。

保存提取

要点

训练好了一个模型, 我们当然想要保存它, 留到下次要用的时候直接提取直接用, 这就是这节的内容啦. 我们用回归的神经网络举例实现保存提取.

保存

我们先快速建造数据，搭建网络

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# 设置随机种子以确保可重复性
torch.manual_seed(1)

#生成假数据
x=torch.unsqueeze(torch.linspace(-1,1,100),dim=1)
y=x.pow(2)+0.2*torch.rand(x.size())

def save():
    # 建立网络
    net1=nn.Sequential(
        nn.Linear(1,10),
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(10,1)
    )

    # 定义优化器和损失函数
    optimizer=optim.SGD(net1.parameters(),lr=0.5)
    loss_func=nn.MSELoss()

    # 训练
    for t in range(100):
        prediction=net1(x)
        loss=loss_func(prediction,y)
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
    

代码解释：

1. x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 100), dim=1)：

   • torch.linspace(-1, 1, 100) 创建了一个包含100个均匀分布在-1到1之间的数值的张量。这些值将作为输入特征 x。
   • torch.unsqueeze() 函数将这个一维张量转换为一个二维张量。具体来说，dim=1 参数表示在第1维上添加一个维度，从而将原始的一维张量转换为形状为 (100, 1) 的二维张量，这样可以作为神经网络的输入。

2. y = x.pow(2) + 0.2 * torch.rand(x.size())：

   • x.pow(2) 对输入特征 x 中的每个元素进行平方操作，从而得到一个张量，其中包含了100个元素，每个元素都是输入特征的平方。
   • torch.rand(x.size()) 创建一个与 x 相同大小的随机张量，其中的值是在0到1之间均匀分布的随机数。这个随机张量表示添加到目标 y 中的噪声。
   • 最后，通过将 x.pow(2) 和随机噪声相加，得到最终的目标张量 y。这个操作在原始函数 x^2 的基础上引入了一些随机变化，模拟了真实世界中的数据噪声。

总之，这段代码用于生成一个带有噪声的数据集，其中 x 是输入特征，表示在-1到1之间均匀分布的值，y 是与 x 之间的二次函数关系，并添加了一些随机噪声，以模拟实际数据集。这种数据集常用于回归任务的训练和测试。

接下来我们有两种途径来保存（下面的代码是写在save()里的）

# 保存整个网络：
torch.save(net1,'net1.pkl')
# 仅保存网络中的参数（推荐的方式，因为速度更快且占用内存更少）：
torch.save(net1.state_dict(),'net1_params.pkl')

提取网络

# 读取模型
def restore_net():
    net2=torch.load('net1.pkl')
    print(net2)

只提取网络参数

def restore_params():
    # 新建net3，确保与之前的模型架构一致
    net3=torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(1,10),
        torch.nn.ReLU(),
        torch.nn.Linear(10,1)
    )
    # 将保存的参数复制到net3
    net3.load_state_dict(torch.load('net1_params.pkl'))
    print(net3)

显示结果

# 保存 net1 (1. 整个网络, 2. 只有参数)
save()

# 提取整个网络
restore_net()

# 提取网络参数, 复制到新网络
restore_params()

批训练

要点

Torch 中提供了一种帮你整理你的数据结构的东西,，叫做 DataLoader, 我们能用它来包装自己的数据，进行批训练。

DataLoader

DataLoader 是 torch 给你用来包装你的数据的工具. 所以你要讲自己的 (numpy array 或其他) 数据形式装换成 Tensor, 然后再放进这个包装器中. 使用 DataLoader 有什么好处呢? 就是他们帮你有效地迭代数据,

加速神经网络训练

优化器