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标题: PyTorch底子学习03_数学运算&自动微分 [打印本页]

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作者: 何小豆儿在此    时间: 2024-11-25 01:03
标题: PyTorch底子学习03_数学运算&自动微分
目录
一、数学运算
1、基本操作
2、三角函数
3、统计学函数
二、生存和加载
三、并行化
四、自动微分
1、相关概念
2、盘算梯度
1.标量梯度盘算
2.向量梯度盘算
3.多标量梯度盘算
4.多向量梯度盘算
5.矩阵梯度盘算
3、梯度上下文控制
1、梯度控制
2、梯度更新
3、叶子节点

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导入torch库：

1. import torch

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一、数学运算

1、基本操作

• floor: 向下取整；
  
• ceil：向上取整；
  
• round：四舍五入；
  
• trunc：裁剪，只生存整数部分；
  
• frac：只生存小数部分；
  
• fix：向零方向舍入；
  
• %：取余；
  
• abs：取绝对值。
  

1. data = torch.tensor(
2.     [
3.         [1, 2, -3.5],  # 1
4.         [4, 5, 6],  # 2
5.         [10.5, 18.6, 19.6],  # 3
6.         [11.05, 19.3, 20.6],  # 4
7.     ]
8. )
9. print(data)
10. # 向下取整(往小取 返回不大于每个元素的最大整数)
11. x1 = torch.floor(data)
12. print(x1)
13. # 向上取整(往大取 返回不小于每个元素的最小整数)
14. x2 = torch.ceil(data)
15. print(x2)
16. # 四舍五入 与python round()一致 四舍六入五看齐(看个位奇偶，奇进偶舍)
17. x3 = torch.round(data)
18. print(x3)
19. # 截断，只保留整数部分
20. x4 = torch.trunc(data)
21. print(x4)
22. # 截断，只保留小数部分
23. x5 = torch.frac(data)
24. print(x5)
25. # 向零方向舍入(舍入到最接近零的整数)
26. x6 = torch.fix(data)
27. print(x6)
28. # 取余
29. x7 = torch.fmod(data, 2)
30. print(x7)
31. # 绝对值
32. x8 = torch.abs(data)
33. print(x8)

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2、三角函数

• torch.cos(input,out=None)
  
• torch.cosh(input,out=None) # 双曲余弦函数
  
• torch.sin(input,out=None)
  
• torch.sinh(input,out=None) # 双曲正弦函数
  
• torch.tan(input,out=None)
  
• torch.tanh(input,out=None) # 双曲正切函数
  

1. # torch.set_printoptions(sci_mode=False)
3. print(torch.pi) # 圆周率
4. deg = torch.pi/180
5. data = torch.tensor([0,90*deg,45*deg])
6. x1 = torch.sin(data)
7. print(x1)
8. x2 = torch.cos(data)
9. print(x2)
10. x3 = torch.sinh(data)
11. print(x3)
12. x4 = torch.cosh(data)
13. print(x4)
14. x5 = torch.tan(data)
15. print(x5)
16. x6 = torch.tanh(data)
17. print(x6)

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3、统计学函数

• torch.mean()： 盘算张量的平均值。
  
• torch.sum()： 盘算张量的元素之和。
  
• torch.std()： 盘算张量的尺度差。
  
• torch.var()： 盘算张量的方差。
  
• torch.median()： 盘算张量的中位数。
  
• torch.max()： 盘算张量的最大值。
  
• torch.min()： 盘算张量的最小值。
  
• torch.mode():  盘算张量众数
  
• torch.sort()： 对张量进行排序。 返回排序后的张量values和索引indices
  
• torch.topk()： 返回张量中的前 k 个最大值或最小值。
  
• torch.histc()： 盘算张量的直方图。
  
• torch.unique()： 返回张量中的唯一值。
  
• torch.bincount()： 盘算张量中每个元素的出现次数。
  

1. torch.manual_seed(66)
2. x = torch.tensor([1,2,2,3,3,3,4,4,5]).type(torch.float32)
3. print(x)
4. # 平均值
5. x1 = x.mean()
6. print(x1)
7. # 求和
8. x2 = x.sum()
9. print(x2)
10. # 标准差
11. x3 = x.std()
12. print(x3)
13. # 方差
14. x4 = x.var()
15. print(x4)
16. # 中位数
17. x5 = x.median()
18. print(x5)
19. # 最大值
20. x6 = x.max()
21. print(x6)
22. # 最小值
23. x7 = x.min()
24. print(x7)
25. # 众数
26. x8 = torch.mode(x)
27. print(x8)
28. # 排序 返回排序后的张量values和索引indices
29. x9 = torch.sort(x)
30. print(x9)
32. x = torch.tensor([1,2,2,3,3,3,4,4,5,2,3,4,6]).type(torch.float32)
33. print(torch.topk(x,3)) # 返回前3个最大值
34. print(torch.histc(x,bins=10, min=2,max=4)) # 区间[min,max]分成bins份 表示各个区间的元素计数
35. print(torch.unique(x)) # 返回分类的数据集中的数据类型
37. x = torch.tensor([1,2,2,3,3,3,4,4,5,2,3,4,6])
38. print(torch.bincount(x)) # 返回张量中每个元素的出现次数

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二、生存和加载

1. # 保存
2. x = torch.tensor([1,2,3])
3. torch.save(x,'./data/tensor01.pth')
5. device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
6. # 加载
7. y = torch.load('./data/tensor01.pth',map_location=device)
8. print(y)
9. print(y.device)

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三、并行化

在 PyTorch 中，可以查看和设置用于 CPU 运算的线程数。PyTorch 使用多线程来加速 CPU 运算，但偶尔大概需要调解线程数来优化性能。

1. # torch.get_num_threads() 来查看当前 PyTorch 使用的线程数
2. def test01():
3.     count = torch.get_num_threads()
4.     print(count)
7. # torch.set_num_threads() 设置 PyTorch 使用的线程数
8. def test02():
9.     torch.set_num_threads(4)
10.     count = torch.get_num_threads()
11.     print(count)
13. if __name__ == '__main__':
14.     test01()
15.     test02()

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 设置线程数时，确保思量到你的 CPU 核心数和其他历程的资源需求，以得到最佳性能。
注意事项

• 线程数设置过高大概会导致线程竞争，反而低落性能；
  
• 线程数设置过低大概会导致盘算资源未得到充分使用；
  
• 当使用 GPU 进行盘算时，线程数设置对性能影响较小，由于 GPU 盘算并不依赖于 CPU 线程数。
  

四、自动微分

自动微分模块torch.autograd负责自动盘算张量操作的梯度，具有自动求导功能。自动微分模块是构成神经网络训练的须要模块，可以实现网络权重参数的更新，使得反向传播算法的实现变得简单而高效。
1、相关概念

• 张量
  Torch中的对象都为张量，属性requires_grad决定是否对其进行梯度盘算。默认是 False，如需盘算梯度则设置为True。
  
• 盘算图：
  torch.autograd通过创建一个动态盘算图来跟踪张量的操作，每个张量是盘算图中的一个节点，节点之间的操作构成图的边。
  
• 反向传播
  使用tensor.backward()方法实行反向传播，从而盘算张量的梯度。这个过程会自动盘算每个张量对损失函数的梯度。
  
• 梯度
  盘算得到的梯度通过tensor.grad访问，这些梯度用于优化模型参数，以最小化损失函数。
  

2、盘算梯度

使用tensor.backward()方法实行反向传播，以盘算张量的梯度。
1.标量梯度盘算

1. # 创建张量：要计算梯度则必须为浮点类型
2. x = torch.tensor(3, require_grad=True, dtype=torch.float64)
3. # 定义函数
4. y = x**2 + 2*x - 5
5. # 计算梯度，也就是反向传播
6. y.backward() # # 梯度计算 1.y函数对x求导函数 y'=2*x+2 2.代入x的当前值 x=3 3.求出导数值 y'=2*3+2
7. # 读取梯度值
8. print(x.grad) # tensor(8.)

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2.向量梯度盘算

1. # 向量梯度计算
2. x = torch.tensor([1,2,3],requires_grad=True,dtype=torch.float64)
3. y = x**2 + 2*x - 5
4. print(y) # tensor([-2.,  3., 10.], dtype=torch.float64, grad_fn=<SubBackward0>)
6. y = y.sum() # y必须是一个标量才能用这个标量对x求导 设置一个复合函数
8. y.backward() # y'=2x+2
9. print(x.grad) # tensor([4., 6., 8.], dtype=torch.float64)

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3.多标量梯度盘算

1. # 多标量的梯度计算
2. x1 = torch.tensor(1,requires_grad=True,dtype=torch.float64)
3. x2 = torch.tensor(2,requires_grad=True,dtype=torch.float64)
4. y = x1**2 + 3*x2 - 5
6. y.backward() # 偏导数
8. print(x1.grad)
9. print(x2.grad)

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4.多向量梯度盘算

1. # 多向量的梯度计算
2. x1 = torch.tensor([1,2,3],requires_grad=True,dtype=torch.float64)
3. x2 = torch.tensor([4,5,6],requires_grad=True,dtype=torch.float64)
4. y = x1**2 + 3*x2 - 5
6. y = y.sum()
8. y.backward() # 偏导数
9. print(x1.grad) # 2*x1 tensor(2., dtype=torch.float64)
10. print(x2.grad) # 3 tensor(3., dtype=torch.float64)

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5.矩阵梯度盘算

1. # 矩阵梯度计算
2. x = torch.tensor([[1,2],[3,4]],requires_grad=True,dtype=torch.float64)
3. y = x**2 + 2*x - 5
5. y = y.sum()
7. y.backward()
8. print(x.grad)

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3、梯度上下文控制

梯度盘算的上下文控制和设置对于管理盘算图、内存消耗、以及盘算效率至关重要。
1、梯度控制

梯度盘算是有性能开销的，有些时候只是简单的运算，此时并不需要梯度。

1. # 正常情况下
2. def test01():
3.     x = torch.tensor(10.5, requires_grad=True)
4.     print(x.requires_grad)  # True
6.     # 默认y的requires_grad=True
7.     y = x**2 + 2 * x + 3
8.     print(y.requires_grad)  # True
11. def test02():
12.     x = torch.tensor(5, requires_grad=True,dtype=torch.float64)
13.     # 关闭y的梯度计算 使用with进行上下文管理
14.     with torch.no_grad():
15.         y = x**2 + 2*x - 5
16.         print(y.requires_grad) # False
18. # 使用装饰器
19. @torch.no_grad()
20. def test03():
21.     x = torch.tensor([1,2,3], requires_grad=True,dtype=torch.float64)
22.     y = x**2 + 2*x - 5
23.     y = y.sum()
24.     print(y.requires_grad) # False
25.    
27. # 自己创建装饰器
28. def my_no_grad(func):
29.     def wrapper():
30.         with torch.no_grad():
31.             re = func()
32.             return re
33.     return wrapper
36. @my_no_grad
37. def test04():
38.     x = torch.tensor([1,2,3], requires_grad=True,dtype=torch.float64)
39.     y = x**2 + 2*x - 5
40.     y = y.sum()
41.     print(y.requires_grad) # False
44. # 全局设置关闭梯度计算
45. def test05():
46.     x = torch.tensor([1,2,3], requires_grad=True,dtype=torch.float64)
47.     torch.set_grad_enabled(False)
48.     y = x**2 + 2*x - 5
49.     y = y.sum()
50.     y.backward()
51.     print(x.requires_grad)
52.     print(y.requires_grad)
53.     print(x.grad)
56. # 累计梯度
57. def test06():
58.     x = torch.tensor(1, requires_grad=True,dtype=torch.float64)
59.     y = x**2 + 2*x - 5
60.     y.backward()
61.     print(x.grad)
63.     y = 2*x**2 + 7
64.     y.backward()
65.     print(x.grad)
67. # 累计梯度02
68. def test07():
69.     x = torch.tensor(4, requires_grad=True,dtype=torch.float64)
70.     for _ in range(4):
71.             y = x**2 + 2*x - 5
72.             y.backward()
73.             print(x.grad)
75. # 梯度清零
76. def test08():
77.     x = torch.tensor(4, requires_grad=True,dtype=torch.float64)
78.     y = x**2 + 2*x - 5
79.     y.backward() # 2*x + 2
80.     print(x.grad)
81.    
82.     z = 3*x**2 + 7*x
83.     # 清零
84.     x.grad.zero_() # 不清零则为 10+31=41
85.     z.backward() # 清零后为 6*4+7=31
86.     print(x.grad)
88.     # 综合梯度清零操作
89.     for _ in range(3):
90.         y = x**2 + 2 * x + 7
91.         z = y.mean()
92.         # 反向传播之前先对梯度进行清零
93.         if x.grad is not None:
94.             x.grad.zero_()
95.             
96.         z.backward()
97.         print(x.grad)
101. if __name__ == '__main__':
102.     test01()
103.     test02()
104.     test03()
105.     test04()
106.     test05()
107.     test06()
108.     test07()
109.     test08()

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2、梯度更新

大多数情况下是不需要梯度累加的，反向传播之前可以先用 .zero_() 对梯度进行清零。
更新梯度时，注意更新的数据应是data，直接改变原tensor会导致其变成新的数据。

1. # 标量训练
2. def test01():
3.     # 生成初始化w
4.     w = torch.tensor(25., requires_grad=True)
5.     # 训练参数
6.     lr = 0.01
7.     epoch = 5
8.     for i in range(epoch):
9.         # 生成损失函数
10.         loss = 3*w**2 + 2*w - 5
11.         # 梯度清零
12.         if w.grad is not None:
13.             w.grad.zero_()
14.         # 反向传播 求当前w的导数值：梯度值，斜率
15.         loss.backward()
16.         # 当前斜率
17.         print(w.grad)
18.         # 更新梯度
19.         # w的tensor不能修改 避免w变成新的数据 应修改w.data
20.         w.data = w.data - lr*w.grad.data
21.         print(w)
22.     # 访问训练后的w的值
23.     print(w.data)
25. # 向量训练
26. def test02():
27.     # 生成初始化w
28.     w = torch.tensor([10,20,30], requires_grad=True,dtype=torch.float64)
29.     # 训练参数
30.     lr = 0.01
31.     epoch = 5
32.     for i in range(epoch):
33.         # 生成损失函数
34.         loss = 3*w**2 + 2*w - 5
35.         loss = loss.sum() # 设置一个复合函数
36.         # 梯度清零
37.         if w.grad is not None:
38.             w.grad.zero_()
39.         # 反向传播 求当前w的导数值：梯度值，斜率
40.         loss.backward()
41.         # 当前斜率
42.         print(w.grad)
43.         # 更新梯度
44.         # w的tensor不能修改 避免w变成新的数据 应修改w.data
45.         w.data = w.data - lr*w.grad.data
46.         print(w)
48.     # 访问训练后的w的值
49.     print(w.data)
50.     # 保存训练好的权重数据
51.     torch.save(w.data,'./data/weight.pth')
53. # 加载训练好的权重数据
54. def detect():
55.     w = torch.load('./data/weight.pth',map_location='cuda')
56.     # 使用w
57.     print(w)
60. if __name__ == '__main__':
61.     # test01()
62.     test02()
63.     detect()

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3、叶子节点

当想使用不含求导功能的tensor时，可以使用detach()创建张量，该张量是作为叶子结点存在的，并且该张量和原张量共享数据，只是该张量不需要盘算梯度。
原因：可以求导的张量不能直接看成平凡的tensor使用，如转换为numpy数组操作： .numpy()

1. # detach()产生的张量是作为叶子结点存在的，并且该张量和原张量共享数据，只是该张量不需要计算梯度。
2. def test01():
3.     x = torch.tensor([1, 2, 3], requires_grad=True,dtype=torch.float32)
4.     # x1 = x.numpy() # 报错 如果x是一个可以求导的张量，那么它就不能直接当作普通的tensor使用
7. def test02():
8.     x = torch.tensor([1, 2, 3], requires_grad=True,dtype=torch.float32)
9.     x2 = x.detach() # 创建一个叶子结点，并且和x共享数据，但是不需要计算梯度
10.     print(x) # tensor([1., 2., 3.], requires_grad=True)
11.     print(x2) # tensor([1., 2., 3.])
12.    
13.     print(id(x),id(x2)) # 两个对象
14.     print(id(x.data),id(x2.data)) # 数据共享
16.     x2[0] = 5
17.     print(x,x2)
20. if __name__ == '__main__':
21.     test02()

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