PyTorch 自动微分示例

PyTorch 自动微分示例

autograd 包是 PyTorch 中所有神经网络的核心。首先简要地介绍，然后训练第一个神经网络。autograd 软件包为 Tensors 上的所有算子提供自动微分。这是一个由运行定义的框架，以代码运行方式定义后向传播，并且每次迭代都可以不同。从 tensor 和 gradients 来举一些例子。

1、TENSOR

torch.Tensor 是包的核心类。如果将其属性 .requires_grad 设置为 True，则会开始跟踪针对 tensor 的所有操作。完成计算后，可以调用 .backward() 来自动计算所有梯度。该张量的梯度将累积到 .grad 属性中。

要停止 tensor 历史记录的跟踪，可以调用 .detach()，将其与计算历史记录分离，防止将来的计算被跟踪。

要停止跟踪历史记录（和使用内存），还可以将代码块使用 with torch.no_grad(): 包装起来。在评估模型时，这是特别有用，因为模型在训练阶段具有 requires_grad = True ，可训练参数有利于调参，但在评估阶段不需要梯度。

还有一个类对于 autograd 实现非常重要那就是 Function。Tensor 和 Function 互相连接并构建一个非循环图，保存整个完整的计算过程的历史信息。每个张量都有一个 .grad_fn 属性，保存着创建了张量的 Function 的引用，（如果用户自己创建张量，则g rad_fn 是 None ）。

如果想计算导数，可以调用 Tensor.backward()。如果 Tensor 是标量（即包含一个元素数据），则不需要指定任何参数backward()，如果有更多元素，则需要指定一个gradient 参数来指定张量的形状。

import torch

创建一个张量，设置 requires_grad=True 来跟踪相关的计算

x = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)

print(x)

输出：

tensor([[1., 1.],

[1., 1.]], requires_grad=True)

针对张量做一个操作

y = x + 2

print(y)

输出：

tensor([[3., 3.],

[3., 3.]], grad_fn=<AddBackward0>)

y 作为操作的结果被创建，所以它有 grad_fn

print(y.grad_fn)

输出：

<AddBackward0 object at 0x7fe1db427470>

针对 y 做更多的操作：

z = y * y * 3

out = z.mean()

print(z, out)

输出：

tensor([[27., 27.],

[27., 27.]], grad_fn=<MulBackward0>)

tensor(27., grad_fn=<MeanBackward0>)

.requires_grad_( ... ) 会改变张量的 requires_grad 标记。输入的标记默认为 False ，如果没有提供相应的参数。

a = torch.randn(2, 2)

a = ((a * 3) / (a - 1))

print(a.requires_grad)

a.requires_grad_(True)

print(a.requires_grad)

b = (a * a).sum()

print(b.grad_fn)

输出：

False

True

<SumBackward0 object at 0x7fe1db427dd8>

梯度：

现在后向传播，因为输出包含了一个标量，out.backward() 等同于out.backward(torch.tensor(1.))。

out.backward()

打印梯度 d(out)/dx

print(x.grad)

输出：

tensor([[4.5000, 4.5000],

[4.5000, 4.5000]])

原理解释：

看一个雅可比向量积的例子：

x = torch.randn(3, requires_grad=True)

y = x * 2

while y.data.norm() < 1000:

y = y * 2

print(y)

输出：

tensor([ -444.6791,   762.9810, -1690.0941], grad_fn=<MulBackward0>)

在这种情况下，y 不再是一个标量。torch.autograd 不能够直接计算整个雅可比，但是如果想要雅可比向量积，需要简单的传递向量给 backward 作为参数。

v = torch.tensor([0.1, 1.0, 0.0001], dtype=torch.float)

y.backward(v)

print(x.grad)

输出：

tensor([1.0240e+02, 1.0240e+03, 1.0240e-01])

可以通过将代码包裹在 with torch.no_grad()，来停止对从跟踪历史中 的 .requires_grad=True 的张量自动求导。

print(x.requires_grad)

print((x ** 2).requires_grad)

with torch.no_grad():

print((x ** 2).requires_grad)

输出：

True

True

False