PyTorch 的 torch.nn 模块学习

torch.nn 是 PyTorch 中专门用于构建和训练神经网络的模块。它的整体架构分为几个主要部分，每部分的原理、要点和使用场景如下：

1. nn.Module

• 原理和要点：nn.Module 是所有神经网络组件的基类。任何神经网络模型都应该继承 nn.Module，并实现其 forward 方法。
• 使用场景：用于定义和管理神经网络模型，包括层、损失函数和自定义的前向传播逻辑。
• 主要 API 和使用场景：
  __init__: 初始化模型参数。
  forward: 定义前向传播逻辑。
  parameters: 返回模型的所有参数。

import torch
import torch.nn as nn

class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyModel, self).__init__()
        self.linear = nn.Linear(10, 1)
    
    def forward(self, x):
        return self.linear(x)

model = MyModel()
print(model)
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2. Layers（层）

• 原理和要点：层是神经网络的基本构建块，包括全连接层、卷积层、池化层等。每种层执行特定类型的操作，并包含可学习的参数。
• 使用场景：用于构建神经网络的各个组成部分，如特征提取、降维等。

2.1 nn.Linear（全连接层）

linear = nn.Linear(10, 5)
input = torch.randn(1, 10)
output = linear(input)
print(output)
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2.2 nn.Conv2d（二维卷积层）

conv = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=3, kernel_size=3)
input = torch.randn(1, 1, 5, 5)
output = conv(input)
print(output)
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2.3 nn.MaxPool2d（二维最大池化层）

maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
input = torch.randn(1, 1, 4, 4)
output = maxpool(input)
print(output)
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3. Loss Functions（损失函数）

• 原理和要点：损失函数用于衡量模型预测与真实值之间的差异，指导模型优化过程。
• 使用场景：用于计算训练过程中需要最小化的误差。

3.1 nn.MSELoss（均方误差损失）

mse_loss = nn.MSELoss()
input = torch.randn(3, 5)
target = torch.randn(3, 5)
loss = mse_loss(input, target)
print(loss)
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3.2 nn.CrossEntropyLoss（交叉熵损失）

cross_entropy_loss = nn.CrossEntropyLoss()
input = torch.randn(3, 5)
target = torch.tensor([1, 0, 4])
loss = cross_entropy_loss(input, target)
print(loss)
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4. Optimizers（优化器）

• 原理和要点：优化器用于调整模型参数，以最小化损失函数。
• 使用场景：用于训练模型，通过反向传播更新参数。

4.1 torch.optim.SGD（随机梯度下降）

import torch.optim as optim

model = MyModel()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
criterion = nn.MSELoss()

# Training loop
for epoch in range(100):
    optimizer.zero_grad()
    output = model(torch.randn(1, 10))
    loss = criterion(output, torch.randn(1, 1))
    loss.backward()
    optimizer.step()
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4.2 torch.optim.Adam（自适应矩估计）

optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
# Training loop
for epoch in range(100):
    optimizer.zero_grad()
    output = model(torch.randn(1, 10))
    loss = criterion(output, torch.randn(1, 1))
    loss.backward()
    optimizer.step()
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5. Activation Functions（激活函数）

• 原理和要点：激活函数引入非线性，使模型能够拟合复杂的函数。
• 使用场景：用于激活输入，增加模型表达能力。

5.1 nn.ReLU（修正线性单元）

relu = nn.ReLU()
input = torch.randn(2)
output = relu(input)
print(output)
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6. Normalization Layers（归一化层）

• 原理和要点：归一化层用于标准化输入，改善训练的稳定性和速度。
• 使用场景：用于标准化激活值，防止梯度爆炸或消失。

6.1 nn.BatchNorm2d（二维批量归一化）

batch_norm = nn.BatchNorm2d(3)
input = torch.randn(1, 3, 5, 5)
output = batch_norm(input)
print(output)
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7. Dropout Layers（丢弃层）

• 原理和要点：Dropout 层通过在训练过程中随机丢弃一部分神经元来防止过拟合。
• 使用场景：用于防止模型过拟合，增加模型的泛化能力。

7.1 nn.Dropout

dropout = nn.Dropout(p=0.5)
input = torch.randn(2, 3)
output = dropout(input)
print(output)
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8. Container Modules（容器模块）

• 原理和要点：容器模块用于组合多个层，构建复杂的神经网络结构。
• 使用场景：用于组合多个层，形成更复杂的网络结构。

8.1 nn.Sequential（顺序容器）

model = nn.Sequential(
    nn.Linear(10, 20),
    nn.ReLU(),
    nn.Linear(20, 5)
)
input = torch.randn(1, 10)
output = model(input)
print(output)
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8.2 nn.ModuleList（模块列表）

layers = nn.ModuleList([
    nn.Linear(10, 20),
    nn.ReLU(),
    nn.Linear(20, 5)
])

input = torch.randn(1, 10)
for layer in layers:
    input = layer(input)
print(input)
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9. Functional API (torch.nn.functional)

• 原理和要点：包含大量用于深度学习的无状态函数，这些函数通常是操作层的底层实现。
• 使用场景：用于在前向传播中灵活调用函数。

9.1 F.relu（ReLU 激活函数）

import torch.nn.functional as F

input = torch.randn(2)
output = F.relu(input)
print(output)
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9.2 F.cross_entropy（交叉熵损失函数）

input = torch.randn(3, 5)
target = torch.tensor([1, 0, 4])
loss = F.cross_entropy(input, target)
print(loss)
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9.3 F.conv2d（二维卷积）

input = torch.randn(1, 1, 5, 5)
weight = torch.randn(3, 1, 3, 3)  # Manually defined weights
output = F.conv2d(input, weight)
print(output)
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10. Parameter (torch.nn.Parameter)

• 原理和要点：torch.nn.Parameter 是 torch.Tensor 的一种特殊子类，用于表示模型的可学习参数。它们在 nn.Module 中会自动注册为参数。
• 使用场景：用于定义模型中的可学习参数。

示例代码：

class MyModelWithParam(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyModelWithParam, self).__init__()
        self.my_param = nn.Parameter(torch.randn(10, 10))
    
    def forward(self, x):
        return x @ self.my_param

model = MyModelWithParam()
input = torch.randn(1, 10)
output = model(input)
print(output)

# 查看模型参数
for name, param in model.named_parameters():
    print(name, param.size())
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综合示例

下面是一个结合上述各个部分的综合示例：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim

class MyComplexModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyComplexModel, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, kernel_size=3)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(32)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=3)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(64)
        self.dropout = nn.Dropout(0.25)
        self.fc1 = nn.Linear(64*12*12, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)
        self.custom_param = nn.Parameter(torch.randn(128, 128))

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self

.bn1(self.conv1(x)))
        x = F.max_pool2d(x, 2)
        x = F.relu(self.bn2(self.conv2(x)))
        x = F.max_pool2d(x, 2)
        x = self.dropout(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = x @ self.custom_param
        x = self.fc2(x)
        return F.log_softmax(x, dim=1)

model = MyComplexModel()
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

for epoch in range(10):
    optimizer.zero_grad()
    input = torch.randn(64, 1, 28, 28)
    target = torch.randint(0, 10, (64,))
    output = model(input)
    loss = criterion(output, target)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    print(f'Epoch {epoch+1}, Loss: {loss.item()}')
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通过以上示例，可以更清晰地理解 torch.nn 模块的整体架构、原理、要点及其具体使用场景。