Pytorch学习笔记(一)

一、线性回归模型使用Pytorch的简洁实现

生成数据集

num_inputs = 2

num_examples = 1000

true_w = [2, -3.4]

true_b = 4.2

features = torch.tensor(np.random.normal(0, 1, (num_examples, num_inputs)), dtype=torch.float)

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.float)

读取数据集

import torch.utils.data as Data

batch_size = 10

# combine featues and labels of dataset

dataset = Data.TensorDataset(features, labels)

# put dataset into DataLoader

data_iter = Data.DataLoader(

                            dataset=dataset,            # torch TensorDataset format

                            batch_size=batch_size,      # mini batch size

                            shuffle=True,              # whether shuffle the data or not

                            num_workers=2,              # read data in multithreading

                            )

定义模型

class LinearNet(nn.Module):

    def __init__(self, n_feature):

        super(LinearNet, self).__init__()      # call father function to init

        self.linear = nn.Linear(n_feature, 1)  # function prototype: `torch.nn.Linear(in_features, out_features, bias=True)`

    def forward(self, x):

        y = self.linear(x)

        return y

net = LinearNet(num_inputs)

初始化模型参数

from torch.nn import init

init.normal_(net[0].weight, mean=0.0, std=0.01)

init.constant_(net[0].bias, val=0.0) 

定义损失函数和优化函数

loss=nn.MSELoss()

import torch.optim as optim

optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.03)  # built-in random gradient descent function

print(optimizer)

训练

num_epochs = 3

for epoch in range(1, num_epochs + 1):

    for X, y in data_iter:

        output = net(X)

        l = loss(output, y.view(-1, 1))

        optimizer.zero_grad() # reset gradient, equal to net.zero_grad()

        l.backward()

        optimizer.step()

    print('epoch %d, loss: %f' % (epoch, l.item()))

dense = net[0]

二、循环神经网络的pytorch简洁实现

nn.RNN

我们使用Pytorch中的nn.RNN来构造循环神经网络。

重点关注nn.RNN的以下几个构造函数参数:

input_size - The number of expected features in the input x

hidden_size – The number of features in the hidden state h

nonlinearity – The non-linearity to use. Can be either 'tanh' or 'relu'. Default: 'tanh'

batch_first – If True, then the input and output tensors are provided as (batch_size, num_steps, input_size). Default: False

这里的batch_first决定了输入的形状,我们使用默认的参数False,对应的输入形状是 (num_steps, batch_size, input_size)。

forward函数的参数为:

input of shape (num_steps, batch_size, input_size): tensor containing the features of the input sequence.

h_0 of shape (num_layers * num_directions, batch_size, hidden_size): tensor containing the initial hidden state for each element in the batch. Defaults to zero if not provided. If the RNN is bidirectional, num_directions should be 2, else it should be 1.

forward函数的返回值是:

output of shape (num_steps, batch_size, num_directions * hidden_size): tensor containing the output features (h_t) from the last layer of the RNN, for each t.

h_n of shape (num_layers * num_directions, batch_size, hidden_size): tensor containing the hidden state for t = num_steps.

定义模型

RNN模型的构造

class RNNModel(nn.Module):

    def __init__(self, rnn_layer, vocab_size):

        super(RNNModel, self).__init__()

        self.rnn = rnn_layer

        self.hidden_size = rnn_layer.hidden_size * (2 if rnn_layer.bidirectional else 1)

        self.vocab_size = vocab_size

        self.dense = nn.Linear(self.hidden_size, vocab_size)

    def forward(self, inputs, state):

        # inputs.shape: (batch_size, num_steps)

        X = to_onehot(inputs, vocab_size)

        X = torch.stack(X)  # X.shape: (num_steps, batch_size, vocab_size)

        hiddens, state = self.rnn(X, state)

        hiddens = hiddens.view(-1, hiddens.shape[-1])  # hiddens.shape: (num_steps * batch_size, hidden_size)

        output = self.dense(hiddens)

        return output, state

预测函数的构造

def predict_rnn_pytorch(prefix, num_chars, model, vocab_size, device, idx_to_char,

                        char_to_idx):

    state = None

    output = [char_to_idx[prefix[0]]]  # output记录prefix加上预测的num_chars个字符

    for t in range(num_chars + len(prefix) - 1):

        X = torch.tensor([output[-1]], device=device).view(1, 1)

        (Y, state) = model(X, state)  # 前向计算不需要传入模型参数

        if t < len(prefix) - 1:

            output.append(char_to_idx[prefix[t + 1]])

        else:

            output.append(Y.argmax(dim=1).item())

    return ''.join([idx_to_char[i] for i in output])

训练函数的构造

def train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,

                                  corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,

                                  num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,

                                  batch_size, pred_period, pred_len, prefixes):

    loss = nn.CrossEntropyLoss()

    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)

    model.to(device)

    for epoch in range(num_epochs):

        l_sum, n, start = 0.0, 0, time.time()

        data_iter = d2l.data_iter_consecutive(corpus_indices, batch_size, num_steps, device) # 相邻采样

        state = None

        for X, Y in data_iter:

            if state is not None:

                # 使用detach函数从计算图分离隐藏状态

                if isinstance (state, tuple): # LSTM, state:(h, c)

                    state[0].detach_()

                    state[1].detach_()

                else:

                    state.detach_()

        (output, state) = model(X, state) # output.shape: (num_steps * batch_size, vocab_size)

            y = torch.flatten(Y.T)

            l = loss(output, y.long())


            optimizer.zero_grad()

            l.backward()

            grad_clipping(model.parameters(), clipping_theta, device)

            optimizer.step()

            l_sum += l.item() * y.shape[0]

            n += y.shape[0]

        if (epoch + 1) % pred_period == 0:

            print('epoch %d, perplexity %f, time %.2f sec' % (

                                                              epoch + 1, math.exp(l_sum / n), time.time() - start))

                                                              for prefix in prefixes:

                                                                  print(' -', predict_rnn_pytorch(

                                                                                                  prefix, pred_len, model, vocab_size, device, idx_to_char,

                                                                                                  char_to_idx))

训练函数

num_epochs, batch_size, lr, clipping_theta = 250, 32, 1e-3, 1e-2

pred_period, pred_len, prefixes = 50, 50, ['分开', '不分开']

train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,

                              corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,

                              num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,

                              batch_size, pred_period, pred_len, prefixes)

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