Exemple de création d'un réseau neuronal simple sur PyTorch pour implémenter la régression et la classification

Cet article présente principalement des exemples de création d'un réseau neuronal simple sur PyTorch pour implémenter la régression et la classification. Maintenant, je le partage avec vous et le donne comme référence. Venez jeter un œil ensemble

Cet article présente un exemple de construction d'un réseau neuronal simple sur PyTorch pour implémenter la régression et la classification. J'aimerais le partager avec vous. Les détails sont les suivants :

1. Démarrer avec PyTorch

1. >Connectez-vous au site officiel de PyTorch, http://pytorch.org, vous pouvez voir l'interface suivante :

Après avoir sélectionné l'option dans l'image ci-dessus, vous pouvez récupérez la commande conda sous Linux :

conda install pytorch torchvision -c soumith

Actuellement, PyTorch ne prend en charge que MacOS et Linux, et ne prend pas encore en charge Windows. L'installation de PyTorch installera deux modules, l'un est torch et l'autre est torchvision. Torch est le module principal, utilisé pour construire des réseaux neuronaux, torchvision est le module auxiliaire, qui possède une base de données et des réseaux neuronaux déjà formés qui attendent que vous les utilisiez directement. . Par exemple (VGG, AlexNet, ResNet).

2. Numpy et Torch

torch_data = torch.from_numpy(np_data) peuvent convertir le format numpy (tableau) au format torch (tenseur) ; peut également convertir le format tenseur de torch au format tableau de numpy. Notez que le Tensor de Torch et le tableau de numpy partageront leur espace de stockage, et la modification de l'un entraînera la modification de l'autre.

Pour les données unidimensionnelles (1-D), numpy imprime la sortie sous forme de vecteurs de ligne, tandis que Torch imprime la sortie sous forme de vecteurs de colonne.

D'autres fonctions dans numpy telles que sin, cos, abs, moyenne, etc. peuvent être utilisées de la même manière dans torch. Il convient de noter que la multiplication matricielle de np.matmul(data, data) et data.dot(data) dans numpy donnera le même résultat ; torch.mm(tensor, tensor) dans torch est une méthode de multiplication matricielle, résultant en un Matrix , tensor.dot(tensor) convertira le tenseur en un tenseur unidimensionnel, puis le multipliera élément par élément et le résumera pour obtenir un nombre réel.

Codes associés :

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)   
)

Variable

Le réseau neuronal de PyTorch provient du package autograd, qui fournit des méthodes de dérivation automatique pour toutes les opérations Tensor.

autograd.Variable Il s'agit de la classe principale de ce package. La variable peut être comprise comme un conteneur contenant un tenseur, qui enveloppe un tenseur et prend en charge presque toutes les opérations qui y sont définies. Une fois l'opération terminée, .backward() peut être appelé pour calculer automatiquement tous les dégradés. En d'autres termes, ce n'est qu'en plaçant le tenseur dans Variable que des opérations telles que le transfert inverse et la dérivation automatique peuvent être mises en œuvre dans le réseau neuronal.

Le tenseur d'origine est accessible via l'attribut .data, et le dégradé de cette variable peut être visualisé via l'attribut .grad.

Codes associés :

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

Résultats de sortie partielle :

variable :

Variable contenant :

1 2

3 4
[torch.FloatTensor de taille 2x2]
variable.grad :
Variable contenant :
0.5000 1.0000
1.5000 2.0000
[torch.FloatTensor de taille 2x2]
variable.data:
1 2
3 4
[torch.FloatTensor de taille 2x2]
[ [ 1. 2.]
[ 3. 4.]]

4. Fonction d'activation de la fonction d'excitation

Les fonctions d'activation de la torche sont toutes dans la torche. Dans nn.fonctionnel, relu, sigmoïde, tanh, softplus sont toutes des fonctions d'activation couramment utilisées.

Codes associés :

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()

2. PyTorch implémente la régression

Regardez d'abord le code complet :

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)

Créez d'abord un ensemble de données d'ajustement de fonctions quadratiques bruyantes et placez-le dans Variable. Définissez une classe Net pour créer des réseaux de neurones et héritez de la classe torch.nn.Module. Les paramètres du nombre de neurones d'entrée, de neurones de couche cachée et de neurones de sortie sont définis dans la méthode de construction de la classe Net. La méthode de construction de la classe parent Net est obtenue via la méthode super() et la forme structurelle de chacun. La couche du Net est définie sous forme d'attributs ; la méthode forward() de Definition Net construit les neurones de chaque couche dans un chemin aller complet de réseau neuronal.

Après avoir défini la classe Net, définissez une instance de réseau neuronal. L'instance de classe Net peut imprimer directement les informations structurelles du réseau neuronal. Définissez ensuite l'optimiseur et la fonction de perte du réseau neuronal. Une fois ceux-ci définis, la formation peut commencer. optimiseur.zero_grad(), loss.backward() et optimiseur.step() effacent respectivement la valeur du paramètre de mise à jour de l'étape précédente, effectuent une rétropropagation de l'erreur et calculent la nouvelle valeur du paramètre de mise à jour, et attribuent la valeur de mise à jour calculée au net .parameters(). Processus de formation itératif en boucle.

Résultat de l'exécution :

Net (

(caché) : Linéaire (1 -> 10)

 (predict): Linear (10 -> 1)

)

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)

)

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。

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