作者：chen_h
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（三）pytorch学习笔记
快速搭建法
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
我们先看看之前写神经网络时用到的步骤. 我们用 net1 代表这种方式搭建的神经网络.
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.predict = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output)
def forward(self, x):
x = F.relu(self.hidden(x))
x = self.predict(x)
return x
net1 = Net(1, 10, 1) # 这是我们用这种方式搭建的 net1
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, 不过还有更快的一招, 用一句话就概括了上面所有的内容!
net2 = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(1, 10),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(10, 1)
)
我们再对比一下两者的结构:
print(net1)
"""
Net (
(hidden): Linear (1 -> 10)
(predict): Linear (10 -> 1)
)
"""
print(net2)
"""
Sequential (
(0): Linear (1 -> 10)
(1): ReLU ()
(2): Linear (10 -> 1)
)
"""
我们会发现 net2 多显示了一些内容, 这是为什么呢? 原来他把激励函数也一同纳入进去了, 但是 net1 中, 激励函数实际上是在 forward() 功能中才被调用的. 这也就说明了, 相比 net2, net1 的好处就是, 你可以根据你的个人需要更加个性化你自己的前向传播过程, 比如(RNN). 不过如果你不需要七七八八的过程, 相信 net2 这种形式更适合你.
保存提取
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
我们快速地建造数据, 搭建网络:
torch.manual_seed(1) # reproducible
# 假数据
x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 100), dim=1) # x data (tensor), shape=(100, 1)
y = x.pow(2) + 0.2*torch.rand(x.size()) # noisy y data (tensor), shape=(100, 1)
def save():
# 建网络
net1 = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(1, 10),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(10, 1)
)
optimizer = torch.optim.SGD(net1.parameters(), lr=0.5)
loss_func = torch.nn.MSELoss()
# 训练
for t in range(100):
prediction = net1(x)
loss = loss_func(prediction, y)
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
接下来我们有两种途径来保存
torch.save(net1, 'net.pkl') # 保存整个网络
torch.save(net1.state_dict(), 'net_params.pkl') # 只保存网络中的参数 (速度快, 占内存少)
提取网络
这种方式将会提取整个神经网络, 网络大的时候可能会比较慢.
def restore_net():
# restore entire net1 to net2
net2 = torch.load('net.pkl')
prediction = net2(x)
只提取网络参数
这种方式将会提取所有的参数, 然后再放到你的新建网络中.
def restore_params():
# 新建 net3
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('net_params.pkl'))
prediction = net3(x)
显示结果
调用上面建立的几个功能, 然后出图.
# 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
Torch 中提供了一种帮你整理你的数据结构的好东西, 叫做 DataLoader, 我们能用它来包装自己的数据, 进行批训练. 而且批训练可以有很多种途径。
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, 举例:
import torch
import torch.utils.data as Data
torch.manual_seed(1) # reproducible
BATCH_SIZE = 5 # 批训练的数据个数
x = torch.linspace(1, 10, 10) # x data (torch tensor)
y = torch.linspace(10, 1, 10) # y data (torch tensor)
# 先转换成 torch 能识别的 Dataset
torch_dataset = Data.TensorDataset(data_tensor=x, target_tensor=y)
# 把 dataset 放入 DataLoader
loader = Data.DataLoader(
dataset=torch_dataset, # torch TensorDataset format
batch_size=BATCH_SIZE, # mini batch size
shuffle=True, # 要不要打乱数据 (打乱比较好)
num_workers=2, # 多线程来读数据
)
for epoch in range(3): # 训练所有!整套!数据 3 次
for step, (batch_x, batch_y) in enumerate(loader): # 每一步 loader 释放一小批数据用来学习
# 假设这里就是你训练的地方...
# 打出来一些数据
print('Epoch: ', epoch, '| Step: ', step, '| batch x: ',
batch_x.numpy(), '| batch y: ', batch_y.numpy())
"""
Epoch: 0 | Step: 0 | batch x: [ 6. 7. 2. 3. 1.] | batch y: [ 5. 4. 9. 8. 10.]
Epoch: 0 | Step: 1 | batch x: [ 9. 10. 4. 8. 5.] | batch y: [ 2. 1. 7. 3. 6.]
Epoch: 1 | Step: 0 | batch x: [ 3. 4. 2. 9. 10.] | batch y: [ 8. 7. 9. 2. 1.]
Epoch: 1 | Step: 1 | batch x: [ 1. 7. 8. 5. 6.] | batch y: [ 10. 4. 3. 6. 5.]
Epoch: 2 | Step: 0 | batch x: [ 3. 9. 2. 6. 7.] | batch y: [ 8. 2. 9. 5. 4.]
Epoch: 2 | Step: 1 | batch x: [ 10. 4. 8. 1. 5.] | batch y: [ 1. 7. 3. 10. 6.]
"""
可以看出, 每步都导出了5个数据进行学习. 然后每个 epoch 的导出数据都是先打乱了以后再导出.
真正方便的还不是这点. 如果我们改变一下 BATCH_SIZE = 8, 这样我们就知道, step=0 会导出8个数据, 但是, step=1 时数据库中的数据不够 8个, 这时怎么办呢:
BATCH_SIZE = 8 # 批训练的数据个数
...
for ...:
for ...:
...
print('Epoch: ', epoch, '| Step: ', step, '| batch x: ',
batch_x.numpy(), '| batch y: ', batch_y.numpy())
"""
Epoch: 0 | Step: 0 | batch x: [ 6. 7. 2. 3. 1. 9. 10. 4.] | batch y: [ 5. 4. 9. 8. 10. 2. 1. 7.]
Epoch: 0 | Step: 1 | batch x: [ 8. 5.] | batch y: [ 3. 6.]
Epoch: 1 | Step: 0 | batch x: [ 3. 4. 2. 9. 10. 1. 7. 8.] | batch y: [ 8. 7. 9. 2. 1. 10. 4. 3.]
Epoch: 1 | Step: 1 | batch x: [ 5. 6.] | batch y: [ 6. 5.]
Epoch: 2 | Step: 0 | batch x: [ 3. 9. 2. 6. 7. 10. 4. 8.] | batch y: [ 8. 2. 9. 5. 4. 1. 7. 3.]
Epoch: 2 | Step: 1 | batch x: [ 1. 5.] | batch y: [ 10. 6.]
"""
这时, 在 step=1 就只给你返回这个 epoch 中剩下的数据就好了.
Optimizer 优化器
下图就是这节内容对比各种优化器的效果:
伪数据
为了对比各种优化器的效果, 我们需要有一些数据, 今天我们还是自己编一些伪数据, 这批数据是这样的:
import torch
import torch.utils.data as Data
import torch.nn.functional as F
import matplotlib.pyplot as plt
torch.manual_seed(1) # reproducible
LR = 0.01
BATCH_SIZE = 32
EPOCH = 12
# fake dataset
x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 1000), dim=1)
y = x.pow(2) + 0.1*torch.normal(torch.zeros(*x.size()))
# plot dataset
plt.scatter(x.numpy(), y.numpy())
plt.show()
# 使用上节内容提到的 data loader
torch_dataset = Data.TensorDataset(x, y)
loader = Data.DataLoader(dataset=torch_dataset, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True, num_workers=2,)
每个优化器优化一个神经网络
为了对比每一种优化器, 我们给他们各自创建一个神经网络, 但这个神经网络都来自同一个 Net 形式.
# 默认的 network 形式
class Net(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.hidden = torch.nn.Linear(1, 20) # hidden layer
self.predict = torch.nn.Linear(20, 1) # output layer
def forward(self, x):
x = F.relu(self.hidden(x)) # activation function for hidden layer
x = self.predict(x) # linear output
return x
# 为每个优化器创建一个 net
net_SGD = Net()
net_Momentum = Net()
net_RMSprop = Net()
net_Adam = Net()
nets = [net_SGD, net_Momentum, net_RMSprop, net_Adam]
优化器 Optimizer
接下来在创建不同的优化器, 用来训练不同的网络. 并创建一个 loss_func 用来计算误差. 我们用几种常见的优化器, SGD, Momentum, RMSprop, Adam.
# different optimizers
opt_SGD = torch.optim.SGD(net_SGD.parameters(), lr=LR)
opt_Momentum = torch.optim.SGD(net_Momentum.parameters(), lr=LR, momentum=0.8)
opt_RMSprop = torch.optim.RMSprop(net_RMSprop.parameters(), lr=LR, alpha=0.9)
opt_Adam = torch.optim.Adam(net_Adam.parameters(), lr=LR, betas=(0.9, 0.99))
optimizers = [opt_SGD, opt_Momentum, opt_RMSprop, opt_Adam]
loss_func = torch.nn.MSELoss()
losses_his = [[], [], [], []] # 记录 training 时不同神经网络的 loss
训练/出图
接下来训练和 loss 画图.
for epoch in range(EPOCH):
print('Epoch: ', epoch)
for step, (b_x, b_y) in enumerate(loader):
# 对每个优化器, 优化属于他的神经网络
for net, opt, l_his in zip(nets, optimizers, losses_his):
output = net(b_x) # get output for every net
loss = loss_func(output, b_y) # compute loss for every net
opt.zero_grad() # clear gradients for next train
loss.backward() # backpropagation, compute gradients
opt.step() # apply gradients
l_his.append(loss.data.numpy()) # loss recoder
SGD 是最普通的优化器, 也可以说没有加速效果, 而 Momentum 是 SGD 的改良版, 它加入了动量原则. 后面的 RMSprop 又是 Momentum 的升级版. 而 Adam 又是 RMSprop 的升级版. 不过从这个结果中我们看到, Adam 的效果似乎比 RMSprop 要差一点. 所以说并不是越先进的优化器, 结果越佳. 我们在自己的试验中可以尝试不同的优化器, 找到那个最适合你数据/网络的优化器.
链接：
https://morvanzhou.github.io/tutorials/machine-learning/torch/
https://github.com/MorvanZhou/PyTorch-Tutorial/blob/master/tutorial-contents/303_build_nn_quickly.py
https://github.com/MorvanZhou/PyTorch-Tutorial/blob/master/tutorial-contents/304_save_reload.py
https://github.com/MorvanZhou/PyTorch-Tutorial/blob/master/tutorial-contents/305_batch_train.py
https://github.com/MorvanZhou/PyTorch-Tutorial/blob/master/tutorial-contents/306_optimizer.py
