1、关系拟合（回归）

关系拟合是指在数据当中找到他们的关系, 然后用神经网络模型来建立一个可以代表他们关系的线条。例如我们常用的最小二乘法就是计算关系拟合的一种方法。

关系拟合例子

1.1 建立数据集

我们创建一些假数据来模拟真实的情况. 比如一个一元二次函数: y = a * x^2 + b, 我们给 y 数据加上一点噪声来更加真实的展示它，代码如下所示。

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 100), dim=1)  # x 数据 (张量), shape=(100, 1)
y = x.pow(2) + 0.2*torch.rand(x.size())                 # 加噪点的 y 数据 (张量), shape=(100, 1)

# 画图
plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy())  #散点图
plt.show()

1.2 建立神经网络

建立一个神经网络我们可以直接运用 torch 中的体系. 先定义所有的层属性(init()), 然后再一层层搭建(forward(x))层于层的关系链接. 建立关系的时候, 我们会用到激励函数, 如果还不清楚激励函数用途的同学, 请看上一篇文章

import torch
import torch.nn.functional as F     # 激励函数都在这

class Net(torch.nn.Module):  # 继承 torch 的 Module
    def __init__(self, n_feature, n_hidden, n_output):
        super(Net, self).__init__()     # 继承 __init__ 功能
        # 定义每层用什么样的形式
        self.hidden = torch.nn.Linear(n_feature, n_hidden)   # 隐藏层线性输出
        self.predict = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output)   # 输出层线性输出

    def forward(self, x):   # 这同时也是 Module 中的 forward 功能
        # 正向传播输入值, 神经网络分析出输出值
        x = F.relu(self.hidden(x))      # 激励函数(隐藏层的线性值)
        x = self.predict(x)             # 输出值
        return x

net = Net(n_feature=1, n_hidden=10, n_output=1)

print(net)  # net 的结构
"""
Net (
  (hidden): Linear (1 -> 10)
  (predict): Linear (10 -> 1)
)
"""

1.3 训练网络

训练的步骤很简单, 如下所示:

# optimizer 是训练的工具
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.2)  # 传入 net 的所有参数, 学习率
loss_func = torch.nn.MSELoss()      # 预测值和真实值的误差计算公式 (均方差)

for t in range(100):
    prediction = net(x)     # 喂给 net 训练数据 x, 输出预测值

    loss = loss_func(prediction, y)     # 计算两者的误差

    optimizer.zero_grad()   # 清空上一步的残余更新参数值
    loss.backward()         # 误差反向传播, 计算参数更新值
    optimizer.step()        # 将参数更新值施加到 net 的 parameters 上

1.4 可视化训练过程

为了可视化整个训练的过程, 更好的理解是如何训练, 我们如下操作:

import matplotlib.pyplot as plt

plt.ion()   # 画图
plt.show()

for t in range(200):

    ...
    loss.backward()
    optimizer.step()

    # 接着上面来
    if t % 5 == 0:
        # plot and show learning process
        plt.cla()
        plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy())
        plt.plot(x.data.numpy(), prediction.data.numpy(), 'r-', lw=5)
        plt.text(0.5, 0, 'Loss=%.4f' % loss.data.numpy(), fontdict={'size': 20, 'color':  'red'})
        plt.pause(0.1)

最后训练的结果如下所示：

关系回归训练结果

1.5 完整代码

最后在这里给出本节完整的关系回归训练及可视化代码：

import torch
import torch.nn.functional as F     # 激励函数都在这
import matplotlib.pyplot as plt

x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 100), dim=1)  # x data (tensor), shape=(100, 1)
y = x.pow(2) + 0.2*torch.rand(x.size())                 # noisy y data (tensor), shape=(100, 1)

class Net(torch.nn.Module):  # 继承 torch 的 Module
    def __init__(self, n_feature, n_hidden, n_output):
        super(Net, self).__init__()     # 继承 __init__ 功能
        # 定义每层用什么样的形式
        self.hidden = torch.nn.Linear(n_feature, n_hidden)   # 隐藏层线性输出
        self.predict = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output)   # 输出层线性输出

    def forward(self, x):   # 这同时也是 Module 中的 forward 功能
        # 正向传播输入值, 神经网络分析出输出值
        x = F.relu(self.hidden(x))      # 激励函数(隐藏层的线性值)
        x = self.predict(x)             # 输出值
        return x

net = Net(n_feature=1, n_hidden=10, n_output=1)

plt.ion()   # 画图
plt.show()

# optimizer 是训练的工具
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.2)  # 传入 net 的所有参数, 学习率
loss_func = torch.nn.MSELoss()      # 预测值和真实值的误差计算公式 (均方差)

for t in range(100):
    prediction = net(x)     # 喂给 net 训练数据 x, 输出预测值

    loss = loss_func(prediction, y)     # 计算两者的误差

    optimizer.zero_grad()   # 清空上一步的残余更新参数值
    loss.backward()         # 误差反向传播, 计算参数更新值
    optimizer.step()        # 将参数更新值施加到 net 的 parameters 上
    if t % 5 == 0:
        # plot and show learning process
        plt.cla()
        plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy())
        plt.plot(x.data.numpy(), prediction.data.numpy(), 'r-', lw=5)
        plt.text(0.5, 0, 'Loss=%.4f' % loss.data.numpy(), fontdict={'size': 20, 'color':  'red'})
        plt.pause(0.1)

2、分类

这次我们也是用最简单的途径来看看神经网络是怎么进行事物的分类

pytorch 分类

2.1 建立数据集

我们创建一些假数据来模拟真实的情况. 比如两个二次分布的数据, 不过他们的均值都不一样.

import torch
import matplotlib.pyplot as plt

# 假数据
n_data = torch.ones(100, 2)         # 数据的基本形态
x0 = torch.normal(2*n_data, 1)      # 类型0 x data (tensor), shape=(100, 2)
y0 = torch.zeros(100)               # 类型0 y data (tensor), shape=(100, )
x1 = torch.normal(-2*n_data, 1)     # 类型1 x data (tensor), shape=(100, 1)
y1 = torch.ones(100)                # 类型1 y data (tensor), shape=(100, )

# 注意 x, y 数据的数据形式是一定要像下面一样 (torch.cat 是在合并数据)
x = torch.cat((x0, x1), 0).type(torch.FloatTensor)  # FloatTensor = 32-bit floating , 按维数0拼接（竖着拼）,按维数1拼接（横着拼)
y = torch.cat((y0, y1), ).type(torch.LongTensor)    # LongTensor = 64-bit integer

plt.scatter(x.data.numpy()[:, 0], x.data.numpy()[:, 1], c=y.data.numpy(), s=100, lw=0, cmap='RdYlGn')
plt.show()

2.2 建立神经网络

建立一个神经网络我们可以直接运用 torch 中的体系. 先定义所有的层属性(init()), 然后再一层层搭建(forward(x))层于层的关系链接. 这个和我们在前面 regression 的时候的神经网络基本没差. 建立关系的时候, 我们会用到激励函数。

import torch
import torch.nn.functional as F     # 激励函数都在这

class Net(torch.nn.Module):     # 继承 torch 的 Module
    def __init__(self, n_feature, n_hidden, n_output):
        super(Net, self).__init__()     # 继承 __init__ 功能
        self.hidden = torch.nn.Linear(n_feature, n_hidden)   # 隐藏层线性输出
        self.out = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output)       # 输出层线性输出

    def forward(self, x):
        # 正向传播输入值, 神经网络分析出输出值
        x = F.relu(self.hidden(x))      # 激励函数(隐藏层的线性值)
        x = self.out(x)                 # 输出值, 但是这个不是预测值, 预测值还需要再另外计算
        return x

net = Net(n_feature=2, n_hidden=10, n_output=2) # 几个类别就几个 output

print(net)  # net 的结构

2.3 训练网络

训练的步骤很简单，同上一小节中回归的训练代码几乎相同，如下所示：

# optimizer 是训练的工具
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.02)  # 传入 net 的所有参数, 学习率
# 算误差的时候, 注意真实值!不是! one-hot 形式的, 而是1D Tensor, (batch,)
# 但是预测值是2D tensor (batch, n_classes)
loss_func = torch.nn.CrossEntropyLoss()

for t in range(100):
    out = net(x)     # 喂给 net 训练数据 x, 输出分析值

    loss = loss_func(out, y)     # 计算两者的误差

    optimizer.zero_grad()   # 清空上一步的残余更新参数值
    loss.backward()         # 误差反向传播, 计算参数更新值
    optimizer.step()        # 将参数更新值施加到 net 的 parameters 上

2.4 可视化训练过程

为了可视化整个训练的过程, 更好的理解是如何训练, 我们如下操作:

import matplotlib.pyplot as plt

plt.ion()   # 画图
plt.show()

for t in range(100):

    ...
    loss.backward()
    optimizer.step()

    # 接着上面来
    if t % 2 == 0:
        plt.cla()
        # 过了一道 softmax 的激励函数后的最大概率才是预测值
        prediction = torch.max(F.softmax(out), 1)[1]
        pred_y = prediction.data.numpy().squeeze()
        target_y = y.data.numpy()
        plt.scatter(x.data.numpy()[:, 0], x.data.numpy()[:, 1], c=pred_y, s=100, lw=0, cmap='RdYlGn')
        accuracy = sum(pred_y == target_y)/200.  # 预测中有多少和真实值一样
        plt.text(1.5, -4, 'Accuracy=%.2f' % accuracy, fontdict={'size': 20, 'color':  'red'})
        plt.pause(0.1)

plt.ioff()  # 停止画图
plt.show()

2.5 完整代码

本小节关于pytorch神经网络分类的完整代码如下所示：

import torch
import torch.nn.functional as F     # 激励函数都在这
from torch.autograd import Variable
import matplotlib.pyplot as plt

n_data = torch.ones(100, 2)         # 数据的基本形态
x0 = torch.normal(2*n_data, 1)      # 类型0 x data (tensor), shape=(100, 2)
y0 = torch.zeros(100)               # 类型0 y data (tensor), shape=(100, )
x1 = torch.normal(-2*n_data, 1)     # 类型1 x data (tensor), shape=(100, 1)
y1 = torch.ones(100)                # 类型1 y data (tensor), shape=(100, )

# 注意 x, y 数据的数据形式是一定要像下面一样 (torch.cat 是在合并数据)
x = torch.cat((x0, x1), 0).type(torch.FloatTensor)  # FloatTensor = 32-bit floating
y = torch.cat((y0, y1), ).type(torch.LongTensor)    # LongTensor = 64-bit integer

x,y = Variable(x),Variable(y)
# plt.scatter(x.data.numpy()[:, 0], x.data.numpy()[:, 1], c=y.data.numpy(), s=100, lw=0, cmap='RdYlGn')
# plt.show()

class Net(torch.nn.Module):  # 继承 torch 的 Module
    def __init__(self, n_feature, n_hidden, n_output):
        super(Net, self).__init__()     # 继承 __init__ 功能
        # 定义每层用什么样的形式
        self.hidden = torch.nn.Linear(n_feature, n_hidden)   # 隐藏层线性输出
        self.predict = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output)   # 输出层线性输出

    def forward(self, x):   # 这同时也是 Module 中的 forward 功能
        # 正向传播输入值, 神经网络分析出输出值
        x = F.relu(self.hidden(x))      # 激励函数(隐藏层的线性值)
        x = self.predict(x)             # 输出值
        return x

net = Net(n_feature=2, n_hidden=10, n_output=2)

plt.ion()   # 画图
plt.show()

# optimizer 是训练的工具
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.02)  # 传入 net 的所有参数, 学习率
# 算误差的时候, 注意真实值!不是! one-hot 形式的, 而是1D Tensor, (batch,)
# 但是预测值是2D tensor (batch, n_classes)
loss_func = torch.nn.CrossEntropyLoss()

for t in range(100):
    out = net(x)     # 喂给 net 训练数据 x, 输出分析值

    loss = loss_func(out, y)     # 计算两者的误差

    optimizer.zero_grad()   # 清空上一步的残余更新参数值
    loss.backward()         # 误差反向传播, 计算参数更新值
    optimizer.step()        # 将参数更新值施加到 net 的 parameters 上

    if t % 2 == 0:
        plt.cla()
        # 过了一道 softmax 的激励函数后的最大概率才是预测值
        prediction = torch.max(F.softmax(out), 1)[1]
        pred_y = prediction.data.numpy().squeeze()
        target_y = y.data.numpy()
        plt.scatter(x.data.numpy()[:, 0], x.data.numpy()[:, 1], c=pred_y, s=100, lw=0, cmap='RdYlGn')
        accuracy = sum(pred_y == target_y)/200.  # 预测中有多少和真实值一样
        plt.text(1.5, -4, 'Accuracy=%.2f' % accuracy, fontdict={'size': 20, 'color':  'red'})
        plt.pause(0.1)
plt.ioff()  # 停止画图
plt.show()

3、神经网络快速搭建法

Torch 中提供了很多方便的途径, 同样是神经网络, 能快则快, 我们看看如何用更简单的方式搭建同样的回归神经网络。

3.1 之前搭建的方法

我们先看看之前写神经网络时用到的步骤. 我们用 net1 代表这种方式搭建的神经网络。

class Net(torch.nn.Module):
    def __init__(self, n_feature, n_hidden, n_output):
        super(Net, self).__init__()
        self.hidden = torch.nn.Linear(n_feature, n_hidden)
        self.predict = torch.nn.Linear(n_hidden, n_output)

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

net1 = Net(1, 10, 1)   # 这是我们用这种方式搭建的 net1

3.2 快速搭建法

这里再介绍一种搭建方法，我们用 class 继承了一个 torch 中的神经网络结构, 然后对其进行了修改, 不过还有更快的一招, 用一句话就概括了上面所有的内容!

net2 = torch.nn.Sequential(
    torch.nn.Linear(1, 10),
    torch.nn.ReLU(),
    torch.nn.Linear(10, 1)
)

3.3 两种搭建方法的对比

我们分别print上述两种搭建方法的神经网络结构，看看有什么不同。

print(net1)
"""
Net (
  (hidden): Linear (1 -> 10)
  (predict): Linear (10 -> 1)
)
"""
print(net2)
"""
Sequential (
  (0): Linear (1 -> 10)
  (1): ReLU ()
  (2): Linear (10 -> 1)
)
"""

我们会发现 net2 多显示了一些内容, 这是为什么呢? 原来他把激励函数也一同纳入进去了, 但是 net1 中, 激励函数实际上是在 forward() 功能中才被调用的. 这也就说明了, 相比 net2, net1 的好处就是, 你可以根据你的个人需要更加个性化你自己的前向传播过程, 比如(RNN). 不过如果你不需要七七八八的过程, 相信 net2 这种形式更适合你。

4、保存和提取训练的模型

训练好了一个模型, 我们当然想要保存它, 留到下次要用的时候直接提取直接用, 这就是这节的内容啦. 我们用回归的神经网络举例实现保存提取。

4.1 保存训练好的模型

我们快速地建造数据, 搭建网络:

torch.manual_seed(1)    # reproducible

# 假数据
x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 100), dim=1)  # x data (tensor), shape=(100, 1)
y = x.pow(2) + 0.2*torch.rand(x.size())  # noisy y data (tensor), shape=(100, 1)

def save():
    # 建网络
    net1 = torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(1, 10),
        torch.nn.ReLU(),
        torch.nn.Linear(10, 1)
    )
    optimizer = torch.optim.SGD(net1.parameters(), lr=0.5)
    loss_func = torch.nn.MSELoss()

    # 训练
    for t in range(100):
        prediction = net1(x)
        loss = loss_func(prediction, y)
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

接下来我们有两种途径来保存

torch.save(net1, 'net.pkl')  # 保存整个网络
torch.save(net1.state_dict(), 'net_params.pkl')   # 只保存网络中的参数 (速度快, 占内存少)

4.2 提取神经网络模型

这种方式将会提取整个神经网络, 网络大的时候可能会比较慢.

def restore_net():
    # restore entire net1 to net2
    net2 = torch.load('net.pkl')
    prediction = net2(x)

4.3 只提取网络参数

这种方式将会提取所有的参数, 然后再放到你的新建网络中.

def restore_params():
    # 新建 net3
    net3 = torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(1, 10),
        torch.nn.ReLU(),
        torch.nn.Linear(10, 1)
    )

    # 将保存的参数复制到 net3
    net3.load_state_dict(torch.load('net_params.pkl'))
    prediction = net3(x)

4.4 显示结果

调用上面建立的几个功能, 然后出图.

# 保存 net1 (1. 整个网络, 2. 只有参数)
save()

# 提取整个网络
restore_net()

# 提取网络参数, 复制到新网络
restore_params()

结果

4.5 完整代码

本小节关于pytorch神经网络保存和提取的完整代码如下所示（和本节中分段代码处有些区别）：

import torch
from torch.autograd import Variable
import pylab as plt
#torch.manual_seed(1)    # reproducible

# 假数据
x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-2, 2, 200), dim=1)  # x data (tensor), shape=(100, 1)
y = x.pow(2)+3*x-2+ 0.5*torch.rand(x.size())  # noisy y data (tensor), shape=(100, 1)
x,y = Variable(x,requires_grad=False),Variable(y,requires_grad=False)

x0=torch.unsqueeze(torch.linspace(2, 2.5, 100), dim=1)
x0=Variable(x0)
def save():
    # 建网络
    net1 = torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(1, 10),
        torch.nn.Tanh(),
        torch.nn.Linear(10, 1)
    )
    optimizer = torch.optim.SGD(net1.parameters(), lr=0.05)
    loss_func = torch.nn.MSELoss()
    loss_=[]
    lo=[]
    # 训练
    for t in range(50000):
        prediction = net1(x)
        loss = loss_func(prediction, y)
        loss_.append(loss)
        lo.append(t)
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
    plt.figure(1)
    plt.plot(lo,loss_)
    #print(loss_[-1])
    torch.save(net1, 'net.pkl')  # 保存整个网络
    torch.save(net1.state_dict(), 'net_params.pkl')   # 只保存网络中的参数 (速度快, 占内存少)
    
    plt.figure(2,figsize=(10,3))
    plt.subplot(131)
    plt.title("Net1")
    plt.scatter(x.data.numpy(),y.data.numpy())
    plt.plot(x.data.numpy(),prediction.data.numpy(),'r-',lw=5)
    
def restore_net():
    net2 = torch.load('net.pkl')
    prediction = net2(x)
    
    plt.subplot(132)
    plt.title("Net2")
    plt.scatter(x.data.numpy(),y.data.numpy())
    plt.plot(x.data.numpy(),prediction.data.numpy(),'r-',lw=5)
    
def restore_params():
    # 新建 net3
    net3 = torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(1, 10),
        torch.nn.Tanh(),
        torch.nn.Linear(10, 1)
    )

    # 将保存的参数复制到 net3
    net3.load_state_dict(torch.load('net_params.pkl'))
    prediction = net3(x0)
    
    plt.subplot(133)
    plt.title("Net3")
    plt.scatter(x.data.numpy(),y.data.numpy())
    plt.plot(x0.data.numpy(),prediction.data.numpy(),'r-',lw=5)
    
    
save()

restore_net()

restore_params()

5 、批训练

Torch 中提供了一种帮你整理你的数据结构的好东西, 叫做 DataLoader, 我们能用它来包装自己的数据, 进行批训练. 而且批训练可以有很多种途径, 详情如下所示：

今天我们会来聊聊在怎么样加速你的神经网络训练过程。

包括以下几种模式:

Stochastic Gradient Descent (SGD)
Momentum
AdaGrad
RMSProp
Adam

越复杂的神经网络 , 越多的数据 , 我们需要在训练神经网络的过程上花费的时间也就越多. 原因很简单, 就是因为计算量太大了.。可是往往有时候为了解决复杂的问题, 复杂的结构和大数据又是不能避免的, 所以我们需要寻找一些方法, 让神经网络聪明起来, 快起来。

5.1 Stochastic Gradient Descent (SGD)

所以, 最基础的方法就是 SGD 啦, 想像红色方块是我们要训练的 data, 如果用普通的训练方法, 就需要重复不断的把整套数据放入神经网络 NN训练, 这样消耗的计算资源会很大。

我们换一种思路, 如果把这些数据拆分成小批小批的, 然后再分批不断放入 NN 中计算, 这就是我们常说的 SGD 的正确打开方式了. 每次使用批数据, 虽然不能反映整体数据的情况, 不过却很大程度上加速了 NN 的训练过程, 而且也不会丢失太多准确率.如果运用上了 SGD, 你还是嫌训练速度慢, 那怎么办？

没问题, 事实证明, SGD 并不是最快速的训练方法, 红色的线是 SGD, 但它到达学习目标的时间是在这些方法中最长的一种. 我们还有很多其他的途径来加速训练。

5.2 Momentum 更新方法

大多数其他途径是在更新神经网络参数那一步上动动手脚. 传统的参数 W 的更新是把原始的 W 累加上一个负的学习率(learning rate) 乘以校正值 (dx). 这种方法可能会让学习过程曲折无比, 看起来像喝醉的人回家时, 摇摇晃晃走了很多弯路。

所以我们把这个人从平地上放到了一个斜坡上, 只要他往下坡的方向走一点点, 由于向下的惯性, 他不自觉地就一直往下走, 走的弯路也变少了. 这就是 Momentum 参数更新. 另外一种加速方法叫AdaGrad。

5.3 AdaGrad 更新方法

这种方法是在学习率上面动手脚, 使得每一个参数更新都会有自己与众不同的学习率, 他的作用和 momentum 类似。不过不是给喝醉酒的人安排另一个下坡, 而是给他一双不好走路的鞋子, 使得他一摇晃着走路就脚疼, 鞋子成为了走弯路的阻力, 逼着他往前直着走.。他的数学形式是这样的. 接下来又有什么方法呢? 如果把下坡和不好走路的鞋子合并起来, 是不是更好呢? 没错, 这样我们就有了 RMSProp 更新方法。

5.4 RMSProp 更新方法

有了 momentum 的惯性原则 , 加上 adagrad 的对错误方向的阻力, 我们就能合并成这样。让 RMSProp同时具备他们两种方法的优势. 不过细心的同学们肯定看出来了, 似乎在 RMSProp 中少了些什么. 原来是我们还没把 Momentum合并完全, RMSProp 还缺少了 momentum 中的这一部分. 所以, 我们在 Adam 方法中补上了这种想法。

5.5 Adam 更新方法

计算m 时有 momentum 下坡的属性, 计算 v 时有 adagrad 阻力的属性, 然后再更新参数时把 m 和 V 都考虑进去。实验证明, 大多数时候, 使用 adam 都能又快又好的达到目标, 迅速收敛. 所以说, 在加速神经网络训练的时候, 一个下坡, 一双破鞋子, 功不可没。

5.6 DataLoader

DataLoader 是 torch 给你用来包装你的数据的工具. 所以你要讲自己的 (numpy array 或其他) 数据形式装换成 Tensor, 然后再放进这个包装器中。使用 DataLoader 有什么好处呢? 就是他们帮你有效地迭代数据, 举例：

import torch
import torch.utils.data as Data
torch.manual_seed(1)    # reproducible

BATCH_SIZE = 5      # 批训练的数据个数

x = torch.linspace(1, 10, 10)       # x data (torch tensor)
y = torch.linspace(10, 1, 10)       # y data (torch tensor)

# 先转换成 torch 能识别的 Dataset
torch_dataset = Data.TensorDataset(data_tensor=x, target_tensor=y)

# 把 dataset 放入 DataLoader
loader = Data.DataLoader(
    dataset=torch_dataset,      # torch TensorDataset format
    batch_size=BATCH_SIZE,      # mini batch size
    shuffle=True,               # 要不要打乱数据 (打乱比较好)
    num_workers=2,              # 多线程来读数据
)

for epoch in range(3):   # 训练所有!整套!数据 3 次
    for step, (batch_x, batch_y) in enumerate(loader):  # 每一步 loader 释放一小批数据用来学习
        # 假设这里就是你训练的地方...

        # 打出来一些数据
        print('Epoch: ', epoch, '| Step: ', step, '| batch x: ',
              batch_x.numpy(), '| batch y: ', batch_y.numpy())

"""
Epoch:  0 | Step:  0 | batch x:  [ 6.  7.  2.  3.  1.] | batch y:  [  5.   4.   9.   8.  10.]
Epoch:  0 | Step:  1 | batch x:  [  9.  10.   4.   8.   5.] | batch y:  [ 2.  1.  7.  3.  6.]
Epoch:  1 | Step:  0 | batch x:  [  3.   4.   2.   9.  10.] | batch y:  [ 8.  7.  9.  2.  1.]
Epoch:  1 | Step:  1 | batch x:  [ 1.  7.  8.  5.  6.] | batch y:  [ 10.   4.   3.   6.   5.]
Epoch:  2 | Step:  0 | batch x:  [ 3.  9.  2.  6.  7.] | batch y:  [ 8.  2.  9.  5.  4.]
Epoch:  2 | Step:  1 | batch x:  [ 10.   4.   8.   1.   5.] | batch y:  [  1.   7.   3.  10.   6.]

可以看出, 每步都导出了5个数据进行学习. 然后每个 epoch 的导出数据都是先打乱了以后再导出.

真正方便的还不是这点. 如果我们改变一下 BATCH_SIZE = 8, 这样我们就知道, step=0 会导出8个数据, 但是, step=1 时数据库中的数据不够 8个, 这时怎么办呢：

BATCH_SIZE = 8      # 批训练的数据个数

...

for ...:
    for ...:
        ...
        print('Epoch: ', epoch, '| Step: ', step, '| batch x: ',
              batch_x.numpy(), '| batch y: ', batch_y.numpy())
"""
Epoch:  0 | Step:  0 | batch x:  [  6.   7.   2.   3.   1.   9.  10.   4.] | batch y:  [  5.   4.   9.   8.  10.   2.   1.   7.]
Epoch:  0 | Step:  1 | batch x:  [ 8.  5.] | batch y:  [ 3.  6.]
Epoch:  1 | Step:  0 | batch x:  [  3.   4.   2.   9.  10.   1.   7.   8.] | batch y:  [  8.   7.   9.   2.   1.  10.   4.   3.]
Epoch:  1 | Step:  1 | batch x:  [ 5.  6.] | batch y:  [ 6.  5.]
Epoch:  2 | Step:  0 | batch x:  [  3.   9.   2.   6.   7.  10.   4.   8.] | batch y:  [ 8.  2.  9.  5.  4.  1.  7.  3.]
Epoch:  2 | Step:  1 | batch x:  [ 1.  5.] | batch y:  [ 10.   6.]
"""

这时, 在 step=1 就只给你返回这个 epoch 中剩下的数据就好了。

6、Optimizer 优化器

这节内容主要是用 Torch 实践这个优化器动画简介中起到的几种优化器, 这几种优化器具体的优势不会在这个节内容中说了, 所以想快速了解的话, 上面的那个动画链接是很好的去处。

下图就是这节内容对比各种优化器的效果：

6.1 伪数据

为了对比各种优化器的效果, 我们需要有一些数据, 今天我们还是自己编一些伪数据, 这批数据是这样的：

import torch
import torch.utils.data as Data
import torch.nn.functional as F
import matplotlib.pyplot as plt

torch.manual_seed(1)    # reproducible

LR = 0.01
BATCH_SIZE = 32
EPOCH = 12

# fake dataset
x = torch.unsqueeze(torch.linspace(-1, 1, 1000), dim=1)
y = x.pow(2) + 0.1*torch.normal(torch.zeros(*x.size()))

# plot dataset
plt.scatter(x.numpy(), y.numpy())
plt.show()

# 使用上节内容提到的 data loader
torch_dataset = Data.TensorDataset(x, y)
loader = Data.DataLoader(dataset=torch_dataset, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True, num_workers=2,)

6.2 每个优化器优化一个神经网络

为了对比每一种优化器, 我们给他们各自创建一个神经网络, 但这个神经网络都来自同一个 Net 形式。

# 默认的 network 形式
class Net(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.hidden = torch.nn.Linear(1, 20)   # hidden layer
        self.predict = torch.nn.Linear(20, 1)   # output layer

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.hidden(x))      # activation function for hidden layer
        x = self.predict(x)             # linear output
        return x

# 为每个优化器创建一个 net
net_SGD         = Net()
net_Momentum    = Net()
net_RMSprop     = Net()
net_Adam        = Net()
nets = [net_SGD, net_Momentum, net_RMSprop, net_Adam]

6.3 优化器 Optimizer

接下来在创建不同的优化器, 用来训练不同的网络. 并创建一个 loss_func 用来计算误差. 我们用几种常见的优化器, SGD, Momentum, RMSprop, Adam。

# different optimizers
opt_SGD         = torch.optim.SGD(net_SGD.parameters(), lr=LR)
opt_Momentum    = torch.optim.SGD(net_Momentum.parameters(), lr=LR, momentum=0.8)
opt_RMSprop     = torch.optim.RMSprop(net_RMSprop.parameters(), lr=LR, alpha=0.9)
opt_Adam        = torch.optim.Adam(net_Adam.parameters(), lr=LR, betas=(0.9, 0.99))
optimizers = [opt_SGD, opt_Momentum, opt_RMSprop, opt_Adam]

loss_func = torch.nn.MSELoss()
losses_his = [[], [], [], []]   # 记录 training 时不同神经网络的 loss

6.4 训练/出图

接下来训练和 loss 画图：

SGD 是最普通的优化器, 也可以说没有加速效果, 而 Momentum 是 SGD 的改良版, 它加入了动量原则。后面的 RMSprop 又是 Momentum 的升级版. 而 Adam 又是 RMSprop 的升级版。不过从这个结果中我们看到, Adam 的效果似乎比 RMSprop 要差一点. 所以说并不是越先进的优化器, 结果越佳。我们在自己的试验中可以尝试不同的优化器, 找到那个最适合你数据/网络的优化器。

7、什么是卷积神经网络 CNN (Convolutional Neural Network)

卷积神经网络是近些年逐步兴起的一种人工神经网络结构, 因为利用卷积神经网络在图像和语音识别方面能够给出更优预测结果, 这一种技术也被广泛的传播可应用. 卷积神经网络最常被应用的方面是计算机的图像识别, 不过因为不断地创新, 它也被应用在视频分析, 自然语言处理,药物发现, 等等. 近期最火的 Alpha Go, 让计算机看懂围棋, 同样也是有运用到这门技术。

7.1 卷积和神经网络

我们来具体说说卷积神经网络是如何运作的吧, 举一个识别图片的例子, 我们知道神经网络是由一连串的神经层组成,每一层神经层里面有存在有很多的神经元. 这些神经元就是神经网络识别事物的关键. 每一种神经网络都会有输入输出值, 当输入值是图片的时候, 实际上输入神经网络的并不是那些色彩缤纷的图案,而是一堆堆的数字. 就比如说这个. 当神经网络需要处理这么多输入信息的时候, 也就是卷积神经网络就可以发挥它的优势的时候了. 那什么是卷积神经网络呢?

我们先把卷积神经网络这个词拆开来看. “卷积” 和 “神经网络”. 卷积也就是说神经网络不再是对每个像素的输入信息做处理了,而是图片上每一小块像素区域进行处理, 这种做法加强了图片信息的连续性. 使得神经网络能看到图形, 而非一个点. 这种做法同时也加深了神经网络对图片的理解. 具体来说, 卷积神经网络有一个批量过滤器, 持续不断的在图片上滚动收集图片里的信息,每一次收集的时候都只是收集一小块像素区域, 然后把收集来的信息进行整理, 这时候整理出来的信息有了一些实际上的呈现, 比如这时的神经网络能看到一些边缘的图片信息, 然后在以同样的步骤, 用类似的批量过滤器扫过产生的这些边缘信息, 神经网络从这些边缘信息里面总结出更高层的信息结构,比如说总结的边缘能够画出眼睛,鼻子等等. 再经过一次过滤, 脸部的信息也从这些眼睛鼻子的信息中被总结出来. 最后我们再把这些信息套入几层普通的全连接神经层进行分类, 这样就能得到输入的图片能被分为哪一类的结果了.

我们截取一段 google 介绍卷积神经网络的视频, 具体说说图片是如何被卷积的. 下面是一张猫的图片, 图片有长, 宽, 高三个参数. 对! 图片是有高度的! 这里的高指的是计算机用于产生颜色使用的信息. 如果是黑白照片的话, 高的单位就只有1, 如果是彩色照片, 就可能有红绿蓝三种颜色的信息, 这时的高度为3. 我们以彩色照片为例子. 过滤器就是影像中不断移动的东西, 他不断在图片收集小批小批的像素块, 收集完所有信息后, 输出的值, 我们可以理解成是一个高度更高,长和宽更小的”图片”. 这个图片里就能包含一些边缘信息. 然后以同样的步骤再进行多次卷积, 将图片的长宽再压缩, 高度再增加, 就有了对输入图片更深的理解. 将压缩,增高的信息嵌套在普通的分类神经层上,我们就能对这种图片进行分类了。

7.2 池化(pooling)

研究发现, 在每一次卷积的时候, 神经层可能会无意地丢失一些信息. 这时, 池化 (pooling) 就可以很好地解决这一问题. 而且池化是一个筛选过滤的过程, 能将 layer 中有用的信息筛选出来, 给下一个层分析. 同时也减轻了神经网络的计算负担 (具体细节参考). 也就是说在卷集的时候, 我们不压缩长宽, 尽量地保留更多信息, 压缩的工作就交给池化了,这样的一项附加工作能够很有效的提高准确性. 有了这些技术,我们就可以搭建一个属于我们自己的卷积神经网络啦。

7.3 流行的 CNN 结构

比较流行的一种搭建结构是这样, 从下到上的顺序, 首先是输入的图片(image), 经过一层卷积层 (convolution), 然后在用池化(pooling)方式处理卷积的信息, 这里使用的是 max pooling 的方式. 然后在经过一次同样的处理, 把得到的第二次处理的信息传入两层全连接的神经层 (fully connected),这也是一般的两层神经网络层,最后在接上一个分类器(classifier)进行分类预测。