16 PyTorch 神经网络基础【李沐动手学深度学习v2】

作者：你好赵伟 | 2024-03-07 09:55:09

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1. 模型构造

在构造自定义块之前，我们先回顾一下多层感知机的代码。下面的代码生成一个网络，其中包含一个具有256个单元和ReLU激活函数的全连接隐藏层，然后是一个具有10个隐藏单元且不带激活函数的全连接输出层。

层和块

构造单层神经网咯：线性层+RELU+线性层

生成2x20（2是批量大小，20是批量维度）的随机矩阵

在这个例子中，我们通过实例化nn.Sequential来构建我们的模型，层的执行顺序是作为参数传递的。简而言之，nn.Sequential定义了一种特殊的Module，即在PyTorch中表示一个块的类，它维护了一个由Module组成的有序列表。注意，两个全连接层都是Linear类的实例，Linear类本身就是Module的子类。另外，到目前为止，我们一直在通过net(X)调用我们的模型来获得模型的输出。这实际上是net.__call__(X)的简写。这个前向传播函数非常简单：它将列表中的每个块连接在一起，将每个块的输出作为下一个块的输入。

1.1 自定义

要想直观地了解块是如何工作的，最简单的方法就是自己实现一个。在实现我们自定义块之前，我们简要总结一下每个块必须提供的基本功能。

将输入数据作为其前向传播函数的参数。
通过前向传播函数来生成输出。请注意，输出的形状可能与输入的形状不同。例如，我们上面模型中的第一个全连接的层接收一个20维的输入，但是返回一个维度为256的输出。
计算其输出关于输入的梯度，可通过其反向传播函数进行访问。通常这是自动发生的。
存储和访问前向传播计算所需的参数。
根据需要初始化模型参数

自定义快

MLP是nn.Module的子类，所以nn.Module有两个函数

实例化多层感知机的层

# 动手打一遍吧，加深一下印象嘞 class MLP(nn.Module): # 用模型参数声明层。这里，我们声明两个全连接的层 def __init__(self): # 调用MLP的父类Module的构造函数来执行必要的初始化。 # 这样，在类实例化时也可以指定其他函数参数，例如模型参数params（稍后将介绍） super().__init__() self.hidden = nn.Linear(20, 256) # 隐藏层 self.out = nn.Linear(256, 10) # 输出层 # 定义模型的前向传播，即如何根据输入X返回所需的模型输出 def forward(self, X): # 注意，这里我们使用ReLU的函数版本，其在nn.functional模块中定义。 return self.out(F.relu(self.hidden(X)))

上述代码的解析

# 测试上述代码 net = MLP() net(X) # 块的一个主要优点是它的多功能性。 # 我们可以子类化块以创建层（如全连接层的类）、整个模型（如上面的MLP类）或具有中等复杂度的各种组件。 # 我们在接下来的章节中充分利用了这种多功能性，比如在处理卷积神经网络时。

1.2 顺序块

现在我们可以更仔细地看看Sequential类是如何工作的，回想一下Sequential的设计是为了把其他模块串起来。为了构建我们自己的简化的MySequential，我们只需要定义两个关键函数：

一种将块逐个追加到列表中的函数；
一种前向传播函数，用于将输入按追加块的顺序传递给块组成的“链条”。

下面的MySequential类提供了与默认Sequential类相同的功能。

顺序块

*args: lists of inputs of arguments

super( )._init_( ) 调用父类的初始化函数

self._modeules[block] : ordered dictionary. 放进去key. 【也就是说把传进去的每一层layer都按照顺序放在这个容器里，感觉相当于是数组的作用，只不过她存的是神经网络层】

class MySequential(nn.Module): def __init__(self, *args): super().__init__() for idx, module in enumerate(args): # 这里，module是Module子类的一个实例。我们把它保存在'Module'类的成员 # 变量_modules中。_module的类型是OrderedDict self._modules[str(idx)] = module def forward(self, X): # OrderedDict保证了按照成员添加的顺序遍历它们 for block in self._modules.values(): X = block(X) return X net = MySequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10)) net(X)

1.3 在前向传播函数中执行代码

Sequential类使模型构造变得简单，允许我们组合新的架构，而不必定义自己的类。然而，并不是所有的架构都是简单的顺序架构。当需要更强的灵活性时，我们需要定义自己的块。例如，我们可能希望在前向传播函数中执行Python的控制流。此外，我们可能希望执行任意的数学运算，而不是简单地依赖预定义的神经网络层。

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class FixedHiddenMLP(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() # 不计算梯度的随机权重参数。因此其在训练期间保持不变 self.rand_weight = torch.rand((20, 20), requires_grad=False) self.linear = nn.Linear(20, 20) def forward(self, X): X = self.linear(X) # 使用创建的常量参数以及relu和mm函数 X = F.relu(torch.mm(X, self.rand_weight) + 1) # 复用全连接层。这相当于两个全连接层共享参数 X = self.linear(X) # 控制流 while X.abs().sum() > 1: X /= 2 return X.sum() net = FixedHiddenMLP() net(X)

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我们可以混合搭配各种组合块的方法。在下面的例子中，我们以一些想到的方法嵌套块。

class NestMLP(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.net = nn.Sequential(nn.Linear(20, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, 32), nn.ReLU()) self.linear = nn.Linear(32, 16) def forward(self, X): return self.linear(self.net(X)) chimera = nn.Sequential(NestMLP(), nn.Linear(16, 20), FixedHiddenMLP()) chimera(X)