霜庭小筑

3.6-3.7 Softmax 回归的实现

3.6-3.7 Softmax 回归的实现

引入包

import torch
from IPython import display
from d2l import torch as d2l
batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size)

初始化模型参数

对于一张图片输入x∈(28×28){\bf{x}}\in(28\times28),转化为行向量x∈(1×784){\bf{x}}\in(1\times784),与权重W∈(784×10){\bf{W}}\in(784\times10)做乘法后加上偏差b∈(1×10){\bf{b}}\in(1\times10),得到结果矩阵(1×10)(1\times10)

num_inputs = 784
num_outputs = 10
W = torch.normal(0, 0.01, size=(num_inputs, num_outputs), requires_grad=True)
b = torch.zeros(num_outputs, requires_grad=True)
  • 形状(784, 10)的物理含义
    • W是一个矩阵
    • 矩阵的第i行对应第i个像素
    • 矩阵的第j列对应第j个类别
    • 每一个数值代表:如果第i个像素变亮一点,模型认为它是第j类的证据是增加还是减少

定义Softmax操作

实现Softmax主要由三个步骤组成:

  1. 对每个项求幂(使用exp);
  2. 对每一行求和(小批量中每个样本是一行),得到每个样本的规范化常数;
  3. 将每一行除以其规范化常数,确保结果的和为1。

我们回顾一下这个表达式: softmax(X)ij=exp⁡(Xij)∑kexp⁡(Xik)softmax({\bf{X}}){ij}={\exp(X{ij})\over\sum_k\exp(X_{ik})}

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

这里XX代表一个 batch 的图片分类结果矩阵,每一行 10 个元素代表一张图片的分类标号,X∈(batchsize×10){\bf{X}}\in(batchsize\times10),所以要对行内求和。

上述代码对于任何随机输入,我们将每个元素变成一个非负数,且每行总和为1。

X = torch.normal(0, 1, (2, 5))
X_prob = softmax(X)
X_prob, X_prob.sum(1)
# X_exp是(2, 5), partition是(2, 1)
# 广播机制会自动把(2, 1)扩展成(2, 5),让每一列都除以该行总和
(tensor([[0.2876, 0.3158, 0.1194, 0.0991, 0.1780],
[0.2531, 0.2394, 0.1608, 0.0373, 0.3094]]),
tensor([1.0000, 1.0000]))

定义模型

def net(X):
return softmax(torch.matmul(X.reshape((-1, W.shape[0])), W) + b)
# 此处将batch_size=256张图组成的四维张量(256x1x28x28),重整为二维矩阵(256x784)。

定义损失函数

首先,我们不使用Python的for循环迭代预测(这往往是低效的), 而是通过一个运算符选择所有元素。我们需要说明一下 “花式索引”(Fancy Indexing)

下面,我们创建一个数据样本y_hat,其中包含2个样本在3个类别的预测概率, 以及它们对应的标签y,然后使用y作为y_hat中概率的索引。

y = torch.tensor([0, 2])
y_hat = torch.tensor([[0.1, 0.3, 0.6], [0.3, 0.2, 0.5]])
y_hat[[0, 1], y]
tensor([0.1000, 0.5000])

现在我们实现交叉熵损失函数: l(y,y^)=−∑iyilog⁡y^=−log⁡y^il(\bf{y},\hat{\bf{y}})=-\sum_{i}y_i\log\hat{y}=-\log\hat{y}_i

def cross_entropy(y_hat, y):
return - torch.log(y_hat[range(len(y_hat)), y])
cross_entropy(y_hat, y)
tensor([2.3026, 0.6931])
  1. y_hat[range(len(y_hat)), y]这便是刚刚提到的花式索引:
    • 行索引:根据len(y_hat)生成,即由y_hat的行得到:[0, 1]
    • 列索引:y,即[0, 2]
    • 结果:取出了0.1和0.5

  1. torch.log()取自然对数
    • 如果模型对真实类别的预测概率接近 1 ,-log(1) = 0,损失为 0,皆大欢喜。如果模型预测概率接近 0 ,-log(0) 趋向无穷大,损失巨大,模型会被狠狠惩♂罚。

分类精度

分类精度即正确预测数量与总预测数量之比。

def accuracy(y_hat, y):
"""计算预测正确的数量"""
if len(y_hat.shape) > 1 and y_hat.shape[1] > 1:
y_hat = y_hat.argmax(axis=1)
#取出y_hat每行的最大值的索引,即预测的类别。
cmp = y_hat.type(y.dtype) == y
return float(cmp.type(y.dtype).sum())
accuracy(y_hat, y) / len(y)
0.5

同样,对于任意数据迭代器data_iter可访问的数据集, 我们可以评估在任意模型net的精度。

def evaluate_accuracy(net, data_iter):
"""计算在指定数据集上模型的精度"""
if isinstance(net, torch.nn.Module):
net.eval() # 将模型设置为评估模式
metric = Accumulator(2) #正确预测数、预测总数
with torch.no_grad():
for X, y in data_iter:
metric.add(accuracy(net(X), y), y.numel())
# 循环就是把生成器里的所有元素遍历,计算总预测正确数和总样本数
return metric[0] / metric[1]
  • isinstance(obj,type) 函数来判断一个对象是否是一个已知的类型。

    为什么需要判断? 因为在“从零开始实现”中,我们的 net 是一个普通的 Python 函数(def net(X)),不是类对象。而在“简洁实现”中,net 是 nn.Sequential 对象(属于 nn.Module 的子类)。这个 if 保证了代码在两种实现模式下都能运行,不会报错。

这里定义一个实用程序类Accumulator,用于对多个变量进行累加。

class Accumulator:
"""在n个变量上累加"""
def __init__(self, n) :
self.data = [0.0] * n
def add(self, *args):
self.data = [a + float(b) for a, b in zip(self.data, args)]
def reset(self):
self.data = [0.0] * len(self.data)
def __getitem__(self, idx):
return self.data[idx]
evaluate_accuracy(net, test_iter)
0.1163

训练

看过线性回归的实现,Soft回顾的训练过程代码应该看起来非常眼熟。首先,我们定义一个函数来训练一个迭代周期。其中 updater 是更新模型参数的常用函数,它接受批量大小作为参数,可以是d2l.sgd函数,也可以是框架的内置优化函数。

def train_epoch_ch3(net, train_iter, loss, updater):
"""训练模型一个迭代周期"""
# 将模型设置为训练模式
if isinstance(net, torch.nn.Module):
net.train()
# 训练损失总和、训练准确度总和、样本数
metric = Accumulator(3)
for X, y in train_iter:
# 计算梯度并更新参数
y_hat = net(X)
l = loss(y_hat, y)
# 根据updater类型,决定采用哪条训练路径
# torch.optim.Optimizer是torch优化器的包
if isinstance(updater, torch.optim.Optimizer):
# 使用PyTorch内置的优化器和损失函数
updater.zero_grad()
l.mean().backward()
# mean()多此一举,但不会报错
updater.step()
else:
# 使用定制的优化器和损失函数
l.sum().backward()
updater(X.shape[0])
metric.add(float(l.sum()), accuracy(y_hat, y), y.numel())
#返回训练损失和训练精度
return metric[0] / metric[2], metric[1] / metric[2]

我们定义一个在动画中绘制数据的实用程序类Animator。(这部分看看就好~)

class Animator:
"""在动画中绘制数据"""
def __init__(self, xlabel=None, ylabel=None, legend=None, xlim=None,
ylim=None, xscale='linear', yscale='linear',
fmts=('-', 'm--', 'g-.', 'r:'), nrows=1, ncols=1,
figsize=(3.5, 2.5)):
# 增量地绘制多条线
if legend is None:
legend = []
d2l.use_svg_display()
self.fig, self.axes = d2l.plt.subplots(nrows, ncols, figsize=figsize)
if nrows * ncols == 1:
self.axes = [self.axes, ]
# 使用lambda函数捕获参数
self.config_axes = lambda: d2l.set_axes(
self.axes[0], xlabel, ylabel, xlim, ylim, xscale, yscale, legend)
self.X, self.Y, self.fmts = None, None, fmts
def add(self, x, y):
# 向图表中添加多个数据点
if not hasattr(y, "__len__"):
y = [y]
n = len(y)
if not hasattr(x, "__len__"):
x = [x] * n
if not self.X:
self.X = [[] for _ in range(n)]
if not self.Y:
self.Y = [[] for _ in range(n)]
for i, (a, b) in enumerate(zip(x, y)):
if a is not None and b is not None:
self.X[i].append(a)
self.Y[i].append(b)
self.axes[0].cla()
for x, y, fmt in zip(self.X, self.Y, self.fmts):
self.axes[0].plot(x, y, fmt)
self.config_axes()
display.display(self.fig)
display.clear_output(wait=True)

接下来我们实现一个训练函数, 它会在train_iter访问到的训练数据集上训练一个模型net。在每个迭代周期结束时,利用test_iter访问到的测试数据集对模型进行评估。 我们将利用Animator类来可视化训练进度。

def train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, updater):
"""训练模型"""
animator = Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs], ylim=[0.3, 0.9],
legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])
for epoch in range(num_epochs):
train_metrics = train_epoch_ch3(net, train_iter, loss, updater)
test_acc = evaluate_accuracy(net, test_iter)
animator.add(epoch + 1, train_metrics + (test_acc,))
train_loss, train_acc = train_metrics
# 这里的断言相当于设置的“及格线”
# 如果代码没写好,导致模型没学好,程序会直接报错
assert train_loss < 0.5, train_loss
assert train_acc <= 1 and train_acc > 0.7, train_acc
assert test_acc <= 1 and test_acc > 0.7, test_acc

我们让老朋友小批量随机梯度下降来优化模型的损失函数,设置学习率为0.1。

lr = 0.1
def updater(batch_size):
return d2l.sgd([W, b], lr, batch_size)

现在,我们训练模型10个迭代周期。

num_epochs = 10
train_ch3(net, train_iter, test_iter, cross_entropy, num_epochs, updater)

svg

似乎是在CPU上训练的,给我CPU干到96℃了…(锐龙U魅力时刻)


预测

现在训练已经完成,我们的模型已经准备好对图像进行分类预测。 给定一系列图像,我们将比较它们的实际标签(文本输出的第一行)和模型预测(文本输出的第二行)。

def predict_ch3(net, test_iter, n=6):
"""预测标签"""
for X, y in test_iter:
break
# 只取出第一批数据
trues = d2l.get_fashion_mnist_labels(y)
preds = d2l.get_fashion_mnist_labels(net(X).argmax(axis=1))
titles = [true + '\n' + pred for true, pred in zip(trues, preds)]
d2l.show_images(
X[0:n].reshape((n, 28, 28)), 1, n, titles=titles[0:n])
# 把每一张784个像素的一维向量折叠成28行28列的二维图像
# 然后使用前n个数据作图,行1列n
predict_ch3(net, test_iter)

svg

看来我们运气还比较好?竟然全对了。



Softmax回归的简洁实现

引入包

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size)

初始化模型参数

为了实现我们的模型, 我们只需在Sequential中添加一个带有10个输出的全连接层。 在这里Sequential并不是必要的, 但它是实现深度模型的基础。

PyTorch不会隐式地调整输入的形状。因此, 我们在线性层前定义了展平层(flatten),来调整网络输入的形状

net = nn.Sequential(nn.Flatten(), nn.Linear(784, 10))
# Flatten()从第1维开始把张量“碾平”。
# 在这里,它把(256, 1, 28, 28)变成了(256, 784)
# Linear()自带weight和bias,并且可以自动初始化,但这里手动使用正态分布初始化
def init_weights(m):
if type(m) == nn.Linear:
#感觉这里用之前的isinstance()会更好...
nn.init.normal_(m.weight, std=0.01)
# torch.nn.init.normal_(tensor, mean=0.0, std=1.0)
net.apply(init_weights);
  • apply()接收的参数是一个函数f,会遍历net容器中的所有子模块调用一次f。
  • 执行流程:
    • 先对net本身使用init_weights,但type(net)不是Linear,跳过。
    • 对nn.Flatten()使用,跳过。
    • 对nn.Linear(784, 10)使用,成功。

交叉熵损失和Softmax

  • CrossEntropyLoss()自带Softmax运算,默认reduction='mean'
  • 这里特地设为'none',返回值从标量变成了一个(batch_size,)的向量,这是因为我们在train_epoch_ch3有一个“多余”的l.mean()
if isinstance(updater, torch.optim.Optimizer):
updater.zero_grad()
l.mean().backward() # 注意这里!
updater.step()

真的…真的…绕了好大一圈啊…

loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')

优化算法和训练

trainer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.1) # 优化算法
# 对应上方的updater,有zero_grad()方法和step()方法
num_epochs = 10
d2l.train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, trainer)

这里会报错AttributeError: module 'd2l.torch' has no attribute 'train_ch3',原因是d2l库在更新中移除或重构了某些函数。我不想回退版本或者去改库源代码了,就这样吧。

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