Task01:线性回归,Softmax与分类模型、多层感知机

线性回归

线性回归输出是一个连续值,因此适用于回归问题。回归问题在实际中很常见,如预测房屋价格、气温、销售额等连续值的问题。与回归问题不同,分类问题中模型的最终输出是一个离散值。我们所说的图像分类、垃圾邮件识别、疾病检测等输出为离散值的问题都属于分类问题的范畴。softmax回归则适用于分类问题。

模型

模型

损失函数(这个二分之一是为了求导后消除二人为加上的)

损失函数

平均损失

平均损失

平均损失最小

平均损失最小

优化算法

大多数深度学习模型并没有解析解,只能通过优化算法有限次迭代模型参数来尽可能降低损失函数的值,引入小批量随机梯度下降(mini-batch stochastic gradient descent)
1.先选取一组模型参数的初始值。
2.来对参数进行多次迭代,使每次迭代都可能降低损失函数的值。
2.1先随机均匀采样一个数目训练数据样本所组成的小批量(mini-batch)。
2.2求小批量中数据样本的平均损 失有关模型参数的导数(梯度)。
2.3最后用此结果与预先设定的一个正数的乘积作为模型参数在本次迭代的减小量。

参数迭代

神经网络来表示回归

这是一个单层的神经网络且输出层又为全连接层。


神经网络表示回归

PyTorch实现线性回归

import torch
import numpy as np
import random

#生成数据集合
num_inputs = 2 #特征个数
num_examples = 1000 #样本个数
true_w = [2,-1.2] #真实权重
true_b = 3.1 #真实偏差

features = torch.randn(num_examples, num_inputs,
                      dtype=torch.float32)
labels = true_w[0] * features[:, 0] + true_w[1] * features[:, 1] + true_b
labels += torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, size=labels.size()),
                       dtype=torch.float32)

#读取数据集
def data_iter(batch_size, features, labels):
    num_examples = len(features)
    indices = list(range(num_examples))
    random.shuffle(indices) 
    for i in range(0, num_examples, batch_size):
        j = torch.LongTensor(indices[i: min(i + batch_size, num_examples)]) 
        yield  features.index_select(0, j), labels.index_select(0, j)

batch_size = 10

for X, y in data_iter(batch_size, features, labels):
    print(X, '\n', y)
    break

batch_size = 10

for X, y in data_iter(batch_size, features, labels):
    print(X, '\n', y)
    break

#定义模型
def linreg(X, w, b):
    return torch.mm(X, w) + b
#定义损失函数
def squared_loss(y_hat, y): 
    return (y_hat - y.view(y_hat.size())) ** 2 / 2
#定义优化函数
def sgd(params, lr, batch_size): 
    for param in params:
        param.data -= lr * param.grad / batch_size 

#定义模型
def linreg(X, w, b):
    return torch.mm(X, w) + b
#定义损失函数
def squared_loss(y_hat, y): 
    return (y_hat - y.view(y_hat.size())) ** 2 / 2
#定义优化函数
def sgd(params, lr, batch_size): 
    for param in params:
        param.data -= lr * param.grad / batch_size 

# training
for epoch in range(num_epochs):  # training repeats num_epochs times
    # in each epoch, all the samples in dataset will be used once
    
    # X is the feature and y is the label of a batch sample
    for X, y in data_iter(batch_size, features, labels):
        l = loss(net(X, w, b), y).sum()  
        # calculate the gradient of batch sample loss 
        l.backward()  
        # using small batch random gradient descent to iter model parameters
        sgd([w, b], lr, batch_size)  
        # reset parameter gradient
        w.grad.data.zero_()
        b.grad.data.zero_()
    train_l = loss(net(features, w, b), labels)
    print('epoch %d, loss %f' % (epoch + 1, train_l.mean().item()))

Softmax与分类模型

softmax回归的输出单元从一个变成了多个,且引入了softmax运算使输出更适合离散值的预测和训练。

模型

模型

网络(单层且输出层为全连接层)

网络图

softmax运算符(softmax operator)

将输出值变换成值为正且和为1的概率分布,


softmax operator

矢量表达式

矢量表达式

交叉熵(cross entropy)

交叉熵

交叉熵损失函数定

交叉熵损失函数

PyTorch分类模型

import torch
import torchvision
import numpy as np
import sys
sys.path.append("/home/kesci/input")
import d2lzh as d2l

#安装d2lzh需要有mxnet
batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, root='/home/kesci/input/FashionMNIST2065')

num_inputs = 784
print(28*28)
num_outputs = 10

W = torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, (num_inputs, num_outputs)), dtype=torch.float)
b = torch.zeros(num_outputs, dtype=torch.float)
W.requires_grad_(requires_grad=True)
b.requires_grad_(requires_grad=True)
X = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(X.sum(dim=0, keepdim=True))  # dim为0,按照相同的列求和,并在结果中保留列特征
print(X.sum(dim=1, keepdim=True))  # dim为1,按照相同的行求和,并在结果中保留行特征
print(X.sum(dim=0, keepdim=False)) # dim为0,按照相同的列求和,不在结果中保留列特征
print(X.sum(dim=1, keepdim=False)) # dim为1,按照相同的行求和,不在结果中保留行特征

def softmax(X):
    X_exp = X.exp()
    partition = X_exp.sum(dim=1, keepdim=True)
    # print("X size is ", X_exp.size())
    # print("partition size is ", partition, partition.size())
    return X_exp / partition  # 这里应用了广播机制

X = torch.rand((2, 5))
X_prob = softmax(X)
print(X_prob, '\n', X_prob.sum(dim=1))

def net(X):
    return softmax(torch.mm(X.view((-1, num_inputs)), W) + b)

y_hat = torch.tensor([[0.1, 0.3, 0.6], [0.3, 0.2, 0.5]])
y = torch.LongTensor([0, 2])
y_hat.gather(1, y.view(-1, 1))

def cross_entropy(y_hat, y):
    return - torch.log(y_hat.gather(1, y.view(-1, 1)))

def accuracy(y_hat, y):
    return (y_hat.argmax(dim=1) == y).float().mean().item()


print(accuracy(y_hat, y))
#0.5


# 本函数已保存在d2lzh_pytorch包中方便以后使用。该函数将被逐步改进:它的完整实现将在“图像增广”一节中描述
def evaluate_accuracy(data_iter, net):
    acc_sum, n = 0.0, 0
    for X, y in data_iter:
        acc_sum += (net(X).argmax(dim=1) == y).float().sum().item()
        n += y.shape[0]
    return acc_sum / n

num_epochs, lr = 5, 0.1

# 本函数已保存在d2lzh_pytorch包中方便以后使用
def train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, batch_size,
              params=None, lr=None, optimizer=None):
    for epoch in range(num_epochs):
        train_l_sum, train_acc_sum, n = 0.0, 0.0, 0
        for X, y in train_iter:
            y_hat = net(X)
            l = loss(y_hat, y).sum()
            
            # 梯度清零
            if optimizer is not None:
                optimizer.zero_grad()
            elif params is not None and params[0].grad is not None:
                for param in params:
                    param.grad.data.zero_()
            
            l.backward()
            if optimizer is None:
                d2l.sgd(params, lr, batch_size)
            else:
                optimizer.step() 
            
            
            train_l_sum += l.item()
            train_acc_sum += (y_hat.argmax(dim=1) == y).sum().item()
            n += y.shape[0]
        test_acc = evaluate_accuracy(test_iter, net)
        print('epoch %d, loss %.4f, train acc %.3f, test acc %.3f'
              % (epoch + 1, train_l_sum / n, train_acc_sum / n, test_acc))

train_ch3(net, train_iter, test_iter, cross_entropy, num_epochs, batch_size, [W, b], lr)

X, y = iter(test_iter).next()

true_labels = d2l.get_fashion_mnist_labels(y.numpy())
pred_labels = d2l.get_fashion_mnist_labels(net(X).argmax(dim=1).numpy())
titles = [true + '\n' + pred for true, pred in zip(true_labels, pred_labels)]

d2l.show_fashion_mnist(X[0:9], titles[0:9])

多层感知机(multilayer perceptron,MLP)

隐藏层(hidden layer)

含有一个隐藏层,该层中有5个隐藏单元。


多层感知机的神经网络图

模型

模型

模型推导

推导

引入激活函数,便再添加更多的隐藏层,以上设计依然只能与仅含输出层的单层神经网络等价。根源在于全连接层只是对数据做仿射变换affine transformation,而多个仿射变换 的叠加仍然是一个仿射变换。

ReLU(rectified linear unit)

ReLU函数只保留正数元素,并将负数元素清零。


ReLU公式
ReLU函数图

sigmoid函数

sigmoid函数
sigmoid函数图

tanh函数

tanh(双曲正切)函数可以将元素的值变换到-1和1之间。


tanh(双曲正切)
tanh(双曲正切)

多层感知机

多层感知机就是含有至少一个隐藏层的由全连接层组成的神经网络,且每个隐藏层的输出通过激 活函数进行变换。多层感知机的层数和各隐藏层中隐藏单元个数都是超参数。


多层感知机

多层感知机的从零开始实现

import torch
import numpy as np
import sys
sys.path.append("/home/kesci/input")
import d2lzh as d2l

batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size,root='/home/kesci/input/FashionMNIST2065')


num_inputs, num_outputs, num_hiddens = 784, 10, 256

W1 = torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, (num_inputs, num_hiddens)), dtype=torch.float)
b1 = torch.zeros(num_hiddens, dtype=torch.float)
W2 = torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, (num_hiddens, num_outputs)), dtype=torch.float)
b2 = torch.zeros(num_outputs, dtype=torch.float)

params = [W1, b1, W2, b2]
for param in params:
    param.requires_grad_(requires_grad=True)
    
def relu(X):
    return torch.max(input=X, other=torch.tensor(0.0))
    
def net(X):
    X = X.view((-1, num_inputs))
    H = relu(torch.matmul(X, W1) + b1)
    return torch.matmul(H, W2) + b2

loss = torch.nn.CrossEntropyLoss()



num_epochs, lr = 5, 100.0
# def train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, batch_size,
#               params=None, lr=None, optimizer=None):
#     for epoch in range(num_epochs):
#         train_l_sum, train_acc_sum, n = 0.0, 0.0, 0
#         for X, y in train_iter:
#             y_hat = net(X)
#             l = loss(y_hat, y).sum()
#             
#             # 梯度清零
#             if optimizer is not None:
#                 optimizer.zero_grad()
#             elif params is not None and params[0].grad is not None:
#                 for param in params:
#                     param.grad.data.zero_()
#            
#             l.backward()
#             if optimizer is None:
#                 d2l.sgd(params, lr, batch_size)
#             else:
#                 optimizer.step()  # “softmax回归的简洁实现”一节将用到
#             
#             
#             train_l_sum += l.item()
#             train_acc_sum += (y_hat.argmax(dim=1) == y).sum().item()
#             n += y.shape[0]
#         test_acc = evaluate_accuracy(test_iter, net)
#         print('epoch %d, loss %.4f, train acc %.3f, test acc %.3f'
#               % (epoch + 1, train_l_sum / n, train_acc_sum / n, test_acc))

d2l.train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, batch_size, params, lr)




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