diff --git a/Pytorch/Optim/readme.md b/Pytorch/Optim/readme.md new file mode 100644 index 0000000..9acf96c --- /dev/null +++ b/Pytorch/Optim/readme.md @@ -0,0 +1,466 @@ +根据 PyTorch 官网(pytorch.org)的文档,`torch.optim` 是 PyTorch 中用于优化神经网络参数的模块,提供了多种优化算法(如 SGD、Adam 等)。以下是对 `torch.optim` 模块中所有优化器及其核心方法的详细讲解,基于官方文档(截至 2025 年 9 月 9 日的最新信息)以及 `torch.optim` 的功能。 + +`torch.optim` 模块包含多个优化器类,每个优化器都继承自 `torch.optim.Optimizer` 基类。优化器的主要作用是通过梯度下降或其他优化算法更新模型参数。以下是 `torch.optim` 模块中常见优化器及其方法的讲解,结合代码示例和实际用途。 + +--- + +### 1. `torch.optim.Optimizer` 基类 +所有优化器都继承自 `torch.optim.Optimizer`,它是所有优化器的基类,定义了通用的方法和属性。 + +#### 核心方法 +以下是 `torch.optim.Optimizer` 基类中定义的主要方法: + +- **`__init__(params, defaults)`** + - **作用**: 初始化优化器,指定需要优化的参数和默认超参数。 + - **参数**: + - `params`: 可迭代对象,通常是模型参数(通过 `model.parameters()` 获取)或参数组(包含参数和特定超参数的字典列表)。 + - `defaults`: 默认的超参数字典(如学习率 `lr`、动量 `momentum` 等)。 + - **示例**: + ```python + import torch + import torch.nn as nn + import torch.optim as optim + + model = nn.Linear(10, 2) + optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01) + ``` + +- **`zero_grad(set_to_none=True)`** + - **作用**: 将所有优化参数的梯度清零,为下一次前向传播和反向传播做准备。 + - **参数**: + - `set_to_none`: 如果为 `True`,梯度张量被设置为 `None`(更高效);如果为 `False`,梯度被置为 0。 + - **用途**: 在每次优化步骤前调用,以避免梯度累积。 + - **示例**: + ```python + optimizer.zero_grad() # 清零梯度 + ``` + +- **`step(closure=None)`** + - **作用**: 执行一次优化步骤,更新模型参数。 + - **参数**: + - `closure`: 可选的闭包函数,用于某些需要多次计算梯度的优化器(如 LBFGS)。 + - **用途**: 根据梯度和优化算法更新参数。 + - **示例**: + ```python + loss = loss_fn(model(inputs), targets) + loss.backward() # 计算梯度 + optimizer.step() # 更新参数 + ``` + +- **`add_param_group(param_group)`** + - **作用**: 向优化器添加新的参数组,允许对不同参数设置不同的超参数(如学习率)。 + - **参数**: + - `param_group`: 包含参数和超参数的字典,如 `{'params': parameters, 'lr': 0.01}`。 + - **用途**: 用于动态调整优化器管理的参数或为不同层设置不同的学习率。 + - **示例**: + ```python + optimizer.add_param_group({'params': model.new_layer.parameters(), 'lr': 0.001}) + ``` + +- **`state_dict()`** + - **作用**: 返回优化器的状态字典,包含优化器的超参数和状态(如动量缓冲区)。 + - **用途**: 用于保存优化器状态以便后续恢复。 + - **示例**: + ```python + torch.save(optimizer.state_dict(), 'optimizer.pth') + ``` + +- **`load_state_dict(state_dict)`** + - **作用**: 从状态字典中加载优化器状态。 + - **参数**: + - `state_dict`: 通过 `state_dict()` 保存的状态字典。 + - **用途**: 用于恢复优化器状态,通常与模型权重恢复一起使用。 + - **示例**: + ```python + optimizer.load_state_dict(torch.load('optimizer.pth')) + ``` + +- **`param_groups` 属性** + - **作用**: 优化器管理的参数组列表,每个参数组是一个字典,包含参数和对应的超参数。 + - **用途**: 可用于检查或修改优化器的参数组。 + - **示例**: + ```python + for group in optimizer.param_groups: + print(group['lr']) # 打印每个参数组的学习率 + ``` + +--- + +### 2. 常见优化器 +`torch.optim` 提供了多种优化算法,每种优化器都继承自 `Optimizer` 基类,并实现了特定的 `step()` 方法。以下是常见优化器的介绍及其特定参数。 + +#### 2.1 `torch.optim.SGD` +- **描述**: 随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent),支持动量法和 Nesterov 动量。 +- **初始化参数**: + - `params`: 优化参数。 + - `lr` (float): 学习率(必须)。 + - `momentum` (float, optional): 动量因子(默认 0)。 + - `weight_decay` (float, optional): L2 正则化系数(默认 0)。 + - `dampening` (float, optional): 动量阻尼(默认 0)。 + - `nesterov` (bool, optional): 是否使用 Nesterov 动量(默认 False)。 +- **示例**: + ```python + optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, weight_decay=1e-4) + ``` + +#### 2.2 `torch.optim.Adam` +- **描述**: Adam 优化器,结合一阶和二阶动量,自适应调整学习率。 +- **初始化参数**: + - `params`: 优化参数。 + - `lr` (float, optional): 学习率(默认 1e-3)。 + - `betas` (tuple, optional): 动量系数 `(beta1, beta2)`(默认 (0.9, 0.999))。 + - `eps` (float, optional): 数值稳定性小值(默认 1e-8)。 + - `weight_decay` (float, optional): L2 正则化系数(默认 0)。 + - `amsgrad` (bool, optional): 是否使用 AMSGrad 变体(默认 False)。 +- **示例**: + ```python + optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001, betas=(0.9, 0.999), weight_decay=1e-2) + ``` + +#### 2.3 `torch.optim.AdamW` +- **描述**: Adam 的改进版本,解耦权重衰减(更适合正则化)。 +- **初始化参数**: + - 与 `Adam` 类似,但 `weight_decay` 默认值为 1e-2。 +- **示例**: + ```python + optimizer = optim.AdamW(model.parameters(), lr=0.001, weight_decay=0.01) + ``` + +#### 2.4 `torch.optim.RMSprop` +- **描述**: RMSprop 优化器,使用移动平均的平方梯度来归一化梯度。 +- **初始化参数**: + - `params`: 优化参数。 + - `lr` (float, optional): 学习率(默认 1e-2)。 + - `alpha` (float, optional): 平滑因子(默认 0.99)。 + - `eps` (float, optional): 数值稳定性小值(默认 1e-8)。 + - `weight_decay` (float, optional): L2 正则化系数(默认 0)。 + - `momentum` (float, optional): 动量因子(默认 0)。 + - `centered` (bool, optional): 是否中心化梯度(默认 False)。 +- **示例**: + ```python + optimizer = optim.RMSprop(model.parameters(), lr=0.01, alpha=0.99) + ``` + +#### 2.5 `torch.optim.Adagrad` +- **描述**: Adagrad 优化器,自适应调整学习率,适合稀疏数据。 +- **初始化参数**: + - `params`: 优化参数。 + - `lr` (float, optional): 学习率(默认 1e-2)。 + - `lr_decay` (float, optional): 学习率衰减(默认 0)。 + - `weight_decay` (float, optional): L2 正则化系数(默认 0)。 + - `eps` (float, optional): 数值稳定性小值(默认 1e-10)。 +- **示例**: + ```python + optimizer = optim.Adagrad(model.parameters(), lr=0.01) + ``` + +#### 2.6 `torch.optim.Adadelta` +- **描述**: Adadelta 优化器,Adagrad 的改进版本,无需手动设置学习率。 +- **初始化参数**: + - `params`: 优化参数。 + - `lr` (float, optional): 初始学习率(默认 1.0)。 + - `rho` (float, optional): 梯度平方移动平均的衰减率(默认 0.9)。 + - `eps` (float, optional): 数值稳定性小值(默认 1e-6)。 + - `weight_decay` (float, optional): L2 正则化系数(默认 0)。 +- **示例**: + ```python + optimizer = optim.Adadelta(model.parameters(), lr=1.0) + ``` + +#### 2.7 `torch.optim.LBFGS` +- **描述**: L-BFGS 优化器,适合小规模数据,使用二阶信息。 +- **初始化参数**: + - `params`: 优化参数。 + - `lr` (float): 学习率(默认 1)。 + - `max_iter` (int, optional): 每次优化的最大迭代次数(默认 20)。 + - `max_eval` (int, optional): 每次优化的最大函数评估次数(默认 None)。 + - `tolerance_grad` (float, optional): 梯度收敛阈值(默认 1e-7)。 + - `tolerance_change` (float, optional): 参数变化收敛阈值(默认 1e-9)。 + - `history_size` (int, optional): 历史更新向量数量(默认 100)。 +- **注意**: 需要提供闭包函数给 `step()`。 +- **示例**: + ```python + optimizer = optim.LBFGS(model.parameters(), lr=1) + def closure(): + optimizer.zero_grad() + loss = loss_fn(model(inputs), targets) + loss.backward() + return loss + optimizer.step(closure) + ``` + +#### 2.8 其他优化器 +- **`torch.optim.Adamax`**: Adam 的变体,基于无穷范数。 +- **`torch.optim.ASGD`**: 平均随机梯度下降,适合非凸问题。 +- **`torch.optim.Rprop`**: 弹性反向传播,适合全批量梯度下降。 +- **`torch.optim.SparseAdam`**: Adam 的稀疏版本,适合稀疏张量。 + +--- + +### 3. 学习率调度器(`torch.optim.lr_scheduler`) +虽然 `lr_scheduler` 不是 `torch.optim` 的核心部分,但它与优化器密切相关,用于动态调整学习率。以下是常见调度器及其方法: + +- **常见调度器**: + - `torch.optim.lr_scheduler.StepLR`: 每隔固定步数降低学习率。 + - `torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR`: 在指定步数降低学习率。 + - `torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR`: 指数衰减学习率。 + - `torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR`: 余弦退火调整学习率。 + - `torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau`: 根据指标(如验证损失)降低学习率。 + +- **核心方法**: + - `step()`: 更新学习率,通常在每个 epoch 或 step 调用。 + - `get_last_lr()`: 获取当前学习率。 + - `state_dict()` 和 `load_state_dict()`: 保存和加载调度器状态。 + +- **示例**: + ```python + scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.1) + for epoch in range(100): + optimizer.step() + scheduler.step() # 每 10 个 epoch 降低学习率 + ``` + +--- + +### 4. 实际使用示例 +以下是一个完整的训练循环示例,展示优化器和调度器的使用: + +```python +import torch +import torch.nn as nn +import torch.optim as optim + +# 定义模型 +model = nn.Linear(10, 1) +criterion = nn.MSELoss() +optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) +scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.1) + +# 训练循环 +for epoch in range(50): + optimizer.zero_grad() # 清零梯度 + outputs = model(inputs) + loss = criterion(outputs, targets) + loss.backward() # 计算梯度 + optimizer.step() # 更新参数 + scheduler.step() # 更新学习率 + print(f'Epoch {epoch}, Loss: {loss.item()}, LR: {scheduler.get_last_lr()[0]}') +``` + +--- + +### 5. 注意事项 +- **选择优化器**: 根据任务选择合适的优化器。Adam 和 AdamW 是大多数深度学习任务的默认选择;SGD 适合需要精细控制的任务;LBFGS 适合小规模数据集。 +- **超参数调优**: 学习率、动量等超参数对收敛影响很大,需通过实验调整。 +- **梯度裁剪**: 对于梯度爆炸问题,可使用 `torch.nn.utils.clip_grad_norm_`。 +- **保存和加载**: 训练时应同时保存模型和优化器状态。 + +如果需要更详细的某优化器或方法的解释,或者需要针对具体任务的优化建议,请告诉我! + +--- + +我来为你详细解释 `torch.optim` 中提到的这些优化器(SGD、LBFGS、Adadelta、Adagrad、RMSProp、Adam、AdamW)的概念和特点。这些都是 PyTorch 中用于优化神经网络参数的算法,基于梯度下降的原理,但各有不同的改进和适用场景。以下是简洁而清晰的讲解,尽量避免重复之前的内容,并专注于每个优化器的核心思想、公式和用途。 + +--- + +### 1. SGD(Stochastic Gradient Descent,随机梯度下降) +- **是什么**: + - SGD 是最基础的优化算法,通过梯度下降更新参数,每次使用一个样本或一个小批量(mini-batch)计算梯度。 + - 支持动量法(Momentum)和 Nesterov 动量,进一步加速收敛。 +- **核心思想**: + - 参数更新基于梯度的负方向,步长由学习率控制。 + - 动量法通过累积历史梯度加速更新,Nesterov 动量在计算梯度时考虑了动量的前瞻性。 +- **更新公式**: + - 基本 SGD: + \( \theta_{t+1} = \theta_t - \eta \cdot \nabla_\theta J(\theta_t) \) + - \(\eta\): 学习率 + - \(\nabla_\theta J\): 损失函数 \(J\) 对参数 \(\theta\) 的梯度 + - 带动量: + \( v_t = \gamma v_{t-1} + \eta \cdot \nabla_\theta J(\theta_t) \) + \( \theta_{t+1} = \theta_t - v_t \) + - \(\gamma\): 动量因子(通常 0.9) + - Nesterov 动量: + \( v_t = \gamma v_{t-1} + \eta \cdot \nabla_\theta J(\theta_t - \gamma v_{t-1}) \) + \( \theta_{t+1} = \theta_t - v_t \) +- **特点**: + - 简单,易于理解,适合大多数任务。 + - 需要手动调整学习率,可能收敛较慢。 + - 动量和 Nesterov 动量能加速收敛,减少震荡。 +- **适用场景**: + - 凸优化问题或需要精细控制的任务。 + - 常用于简单的神经网络或大型数据集。 +- **PyTorch 示例**: + ```python + optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=True) + ``` + +--- + +### 2. LBFGS(Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) +- **是什么**: + - LBFGS 是一种准牛顿法(Quasi-Newton Method),使用二阶信息(近似 Hessian 矩阵)来优化参数。 + - 它是 BFGS 算法的内存优化版本,适合小规模数据集。 +- **核心思想**: + - 利用历史梯度和参数更新信息近似计算 Hessian 矩阵的逆,指导更高效的参数更新。 + - 需要闭包函数多次计算梯度和损失。 +- **更新公式**: + - 复杂且依赖于近似 Hessian 的逆,无法简单表达。 + - 核心是基于历史梯度和参数变化构建搜索方向,更新参数。 +- **特点**: + - 收敛速度快,适合小型数据集。 + - 计算开销大,内存需求较高。 + - 需要提供闭包函数,代码实现稍复杂。 +- **适用场景**: + - 小规模数据集或非深度学习任务(如逻辑回归)。 + - 不适合大规模深度神经网络(因内存和计算限制)。 +- **PyTorch 示例**: + ```python + optimizer = torch.optim.LBFGS(model.parameters(), lr=1) + def closure(): + optimizer.zero_grad() + loss = loss_fn(model(inputs), targets) + loss.backward() + return loss + optimizer.step(closure) + ``` + +--- + +### 3. Adagrad(Adaptive Gradient Algorithm) +- **是什么**: + - Adagrad 是一种自适应学习率的优化算法,通过累积历史梯度的平方来自动调整学习率。 +- **核心思想**: + - 为每个参数分配不同的学习率,频繁更新的参数学习率较小,稀疏更新的参数学习率较大。 + - 适合处理稀疏数据(如自然语言处理中的词嵌入)。 +- **更新公式**: + - \( G_t = G_{t-1} + (\nabla_\theta J(\theta_t))^2 \) + - \( \theta_{t+1} = \theta_t - \frac{\eta}{\sqrt{G_t} + \epsilon} \cdot \nabla_\theta J(\theta_t) \) + - \(G_t\): 梯度平方的累积 + - \(\epsilon\): 数值稳定性小值(防止除零) +- **特点**: + - 自适应学习率,初期收敛快。 + - 后期因 \(G_t\) 持续累积,学习率可能变得过小,导致收敛停滞。 +- **适用场景**: + - 稀疏数据或凸优化问题。 + - 不适合深度神经网络(因学习率衰减过快)。 +- **PyTorch 示例**: + ```python + optimizer = torch.optim.Adagrad(model.parameters(), lr=0.01) + ``` + +--- + +### 4. Adadelta +- **是什么**: + - Adadelta 是 Adagrad 的改进版本,解决了学习率过快衰减的问题,无需手动设置初始学习率。 +- **核心思想**: + - 使用固定时间窗口的梯度平方移动平均代替 Adagrad 的累积和。 + - 引入参数更新的移动平均来稳定更新步长。 +- **更新公式**: + - \( E[g^2]_t = \rho E[g^2]_{t-1} + (1-\rho)(\nabla_\theta J(\theta_t))^2 \) + - \( \Delta \theta_t = -\frac{\sqrt{E[\Delta \theta^2]_{t-1} + \epsilon}}{\sqrt{E[g^2]_t + \epsilon}} \cdot \nabla_\theta J(\theta_t) \) + - \( \theta_{t+1} = \theta_t + \Delta \theta_t \) + - \(\rho\): 衰减率(类似动量) + - \(E[\Delta \theta^2]\): 参数更新的移动平均 +- **特点**: + - 无需手动设置学习率,适合长期训练。 + - 比 Adagrad 更稳定,但仍可能对超参数敏感。 +- **适用场景**: + - 稀疏数据或需要稳定学习率的场景。 + - 比 Adagrad 更适合深度学习任务。 +- **PyTorch 示例**: + ```python + optimizer = torch.optim.Adadelta(model.parameters(), lr=1.0, rho=0.9) + ``` + +--- + +### 5. RMSProp(Root Mean Square Propagation) +- **是什么**: + - RMSProp 是 Adagrad 的另一种改进,通过指数移动平均来限制梯度平方的累积,保持学习率稳定。 +- **核心思想**: + - 类似 Adadelta,使用梯度平方的指数移动平均来归一化梯度。 + - 比 Adagrad 更适合非凸问题(如深度神经网络)。 +- **更新公式**: + - \( E[g^2]_t = \alpha E[g^2]_{t-1} + (1-\alpha)(\nabla_\theta J(\theta_t))^2 \) + - \( \theta_{t+1} = \theta_t - \frac{\eta}{\sqrt{E[g^2]_t + \epsilon}} \cdot \nabla_\theta J(\theta_t) \) + - \(\alpha\): 平滑因子(默认 0.99) +- **特点**: + - 学习率自适应,适合深度学习。 + - 超参数(如 \(\alpha\)、\(\epsilon\))对性能影响较大。 +- **适用场景**: + - 深度神经网络,尤其适合非平稳目标函数。 +- **PyTorch 示例**: + ```python + optimizer = torch.optim.RMSprop(model.parameters(), lr=0.01, alpha=0.99) + ``` + +--- + +### 6. Adam(Adaptive Moment Estimation) +- **是什么**: + - Adam 结合了动量法和 RMSProp,通过一阶动量(梯度均值)和二阶动量(梯度平方均值)自适应调整学习率。 +- **核心思想**: + - 使用梯度的指数移动平均(一阶动量)和梯度平方的指数移动平均(二阶动量)来更新参数。 + - 包含偏差校正,初期更稳定。 +- **更新公式**: + - 一阶动量: \( m_t = \beta_1 m_{t-1} + (1-\beta_1) \nabla_\theta J(\theta_t) \) + - 二阶动量: \( v_t = \beta_2 v_{t-1} + (1-\beta_2) (\nabla_\theta J(\theta_t))^2 \) + - 偏差校正: \( \hat{m}_t = \frac{m_t}{1-\beta_1^t} \), \( \hat{v}_t = \frac{v_t}{1-\beta_2^t} \) + - 参数更新: \( \theta_{t+1} = \theta_t - \frac{\eta \hat{m}_t}{\sqrt{\hat{v}_t} + \epsilon} \) + - \(\beta_1, \beta_2\): 动量系数(默认 0.9, 0.999) +- **特点**: + - 收敛快,超参数鲁棒性强。 + - 是深度学习任务的默认选择。 +- **适用场景**: + - 几乎所有深度学习任务(图像、NLP 等)。 +- **PyTorch 示例**: + ```python + optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001, betas=(0.9, 0.999)) + ``` + +--- + +### 7. AdamW +- **是什么**: + - AdamW 是 Adam 的改进版本,解耦了权重衰减(Weight Decay)与优化步骤,优化正则化效果。 +- **核心思想**: + - 在 Adam 的基础上,将权重衰减从梯度更新中分离,直接应用于参数。 + - 更适合正则化,防止过拟合。 +- **更新公式**: + - 与 Adam 类似,但在参数更新时显式添加权重衰减项: + \( \theta_{t+1} = \theta_t - \frac{\eta \hat{m}_t}{\sqrt{\hat{v}_t} + \epsilon} - \eta \lambda \theta_t \) + - \(\lambda\): 权重衰减系数 +- **特点**: + - 比 Adam 更适合需要强正则化的任务。 + - 通常比 Adam 性能略好,尤其在 Transformer 等模型中。 +- **适用场景**: + - 深度学习任务,尤其是需要正则化的场景(如 Transformer 模型)。 +- **PyTorch 示例**: + ```python + optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=0.001, weight_decay=0.01) + ``` + +--- + +### 总结对比 +| 优化器 | 自适应学习率 | 动量 | 适合场景 | 优点 | 缺点 | +|------------|--------------|------|-----------------------------|--------------------------|-----------------------------| +| SGD | 否 | 可选 | 简单任务、大规模数据 | 简单,易于调试 | 收敛慢,需调学习率 | +| LBFGS | 否 | 无 | 小规模数据集、凸优化 | 收敛快 | 内存占用高,不适合深度学习 | +| Adagrad | 是 | 无 | 稀疏数据、凸优化 | 自适应,适合稀疏数据 | 学习率过快衰减 | +| Adadelta | 是 | 无 | 稀疏数据、深度学习 | 无需设学习率,较稳定 | 超参数敏感 | +| RMSProp | 是 | 可选 | 深度学习、非平稳目标 | 适合非凸问题 | 超参数需调优 | +| Adam | 是 | 是 | 几乎所有深度学习任务 | 收敛快,鲁棒性强 | 正则化效果稍弱 | +| AdamW | 是 | 是 | 深度学习、需要正则化 | 改进正则化,性能更优 | 超参数需调优 | + +--- + +### 选择建议 +- **默认选择**: Adam 或 AdamW,适合大多数深度学习任务,收敛快且超参数鲁棒。 +- **稀疏数据**: Adagrad 或 Adadelta,适合 NLP 或推荐系统。 +- **简单任务或需精细控制**: SGD(带动量)。 +- **小数据集**: LBFGS(需闭包函数)。 +- **Transformer 模型**: AdamW 是首选(如 BERT、GPT 等)。 + +如果你对某个优化器的实现细节、数学推导或具体应用场景有疑问,或者想看某优化器的代码示例,请告诉我,我可以进一步展开! \ No newline at end of file diff --git a/Pytorch/Project/ez0/.idea/ez0.iml b/Pytorch/Project/ez0/.idea/ez0.iml new file mode 100644 index 0000000..b910500 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/.idea/ez0.iml @@ -0,0 +1,8 @@ + + + + + + + + \ No newline at end of file diff --git a/Pytorch/Project/ez0/.idea/inspectionProfiles/Project_Default.xml b/Pytorch/Project/ez0/.idea/inspectionProfiles/Project_Default.xml new file mode 100644 index 0000000..8f50a20 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/.idea/inspectionProfiles/Project_Default.xml @@ -0,0 +1,239 @@ + + + + \ No newline at end of file diff --git a/Pytorch/Project/ez0/.idea/inspectionProfiles/profiles_settings.xml b/Pytorch/Project/ez0/.idea/inspectionProfiles/profiles_settings.xml new file mode 100644 index 0000000..105ce2d --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/.idea/inspectionProfiles/profiles_settings.xml @@ -0,0 +1,6 @@ + + + + \ No newline at end of file diff --git a/Pytorch/Project/ez0/.idea/misc.xml b/Pytorch/Project/ez0/.idea/misc.xml new file mode 100644 index 0000000..5c8f845 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/.idea/misc.xml @@ -0,0 +1,7 @@ + + + + + + \ No newline at end of file diff --git a/Pytorch/Project/ez0/.idea/modules.xml b/Pytorch/Project/ez0/.idea/modules.xml new file mode 100644 index 0000000..b3b0c86 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/.idea/modules.xml @@ -0,0 +1,8 @@ + + + + + + + + \ No newline at end of file diff --git a/Pytorch/Project/ez0/.idea/workspace.xml b/Pytorch/Project/ez0/.idea/workspace.xml new file mode 100644 index 0000000..dd4fd27 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/.idea/workspace.xml @@ -0,0 +1,81 @@ + + + + + + + + + + + { + "associatedIndex": 0 +} + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1757405400023 + + + + \ No newline at end of file diff --git a/Pytorch/Project/ez0/HandWriteCNN.py b/Pytorch/Project/ez0/HandWriteCNN.py new file mode 100644 index 0000000..abe1bfb --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/HandWriteCNN.py @@ -0,0 +1,115 @@ +import torch +import matplotlib.pyplot as plt +from torch import nn +import torch.optim as optim +import torch.nn.functional as F +from torchvision import datasets, transforms +from torch.utils.data import DataLoader + +from main import optimizer + +# 设置超参数 +batch_size = 64 + +# 定义预处理步骤 +transform = transforms.Compose([ + transforms.ToTensor(), # 转换为张量,范围 [0,1] + transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,)) # 标准化:均值、方差是 MNIST 的经验值 +]) + +# 加载训练集 +train_dataset = datasets.MNIST( + root='./data', # 数据存放路径 + train=True, # 训练集 + download=True, # 如果没有就下载 + transform=transform # 应用预处理 +) + +# 加载测试集 +test_dataset = datasets.MNIST( + root='./data', + train=False, # 测试集 + download=True, + transform=transform +) + +# 构建 DataLoader +train_loader = DataLoader( + dataset=train_dataset, + batch_size=batch_size, + shuffle=True # 打乱数据,适合训练 +) + +test_loader = DataLoader( + dataset=test_dataset, + batch_size=batch_size, + shuffle=False # 测试集不需要打乱 +) + +# 简单测试一下 +print(f"训练集大小: {len(train_dataset)}") +print(f"测试集大小: {len(test_dataset)}") + +# 取一个 batch 看看形状 +images, labels = next(iter(train_loader)) +print(f"图片批次维度: {images.shape}") # [batch_size, 1, 28, 28] +print(f"标签批次维度: {labels.shape}") # [batch_size] + +class CNN(nn.Module): + def __init__(self): + super(CNN, self).__init__() + self.c1 = nn.Conv2d(1, 16, 3, padding=1) + self.c2 = nn.Conv2d(16, 32, 3, padding=1) + self.c3 = nn.Conv2d(32, 64, 3, padding=1) + self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2) + self.linear0 = nn.Linear(64 * 7 * 7, 128) # 注意这里是14*14,如果只池化一次,池化一次减半 + self.linear1 = nn.Linear(128, 64) + self.linear2 = nn.Linear(64, 32) + self.linear3 = nn.Linear(32, 10) + self.drop = nn.Dropout(p=0.31) # 丢弃概率 + + def forward(self, x): + x = F.relu(self.c1(x)) + x = self.pool(F.relu(self.c2(x))) # [batch,32,14,14] → pool → [batch,32,7,7] + x = self.pool(F.relu(self.c3(x))) + x = x.view(x.size(0), -1) # flatten + x = F.relu(self.linear0(x)) + x = F.relu(self.linear1(x)) + x = self.drop(x) + x = F.relu(self.linear2(x)) + x = self.linear3(x) + return x + +ez = CNN() + +criterion = nn.CrossEntropyLoss() +optimizer = optim.AdamW(ez.parameters(), lr=0.001) + +for i in range(10): + ez.train() + for images, labels in train_loader: + out = ez(images) + loss = criterion(out, labels) + #反向传播 + optimizer.zero_grad() + loss.backward() + optimizer.step() + print(f": {loss}") + +#训练结束 +ez.eval() # 关闭 dropout/batchnorm 等训练特性 + +correct = 0 +total = 0 + +with torch.no_grad(): # 测试不需要计算梯度,节省显存 + for images, labels in test_loader: + outputs = ez(images) # [batch_size, 10] + + # 取每行最大值对应的索引作为预测类别 + _, predicted = torch.max(outputs, 1) + + total += labels.size(0) + correct += (predicted == labels).sum().item() + +print(f"测试集准确率: {correct}/{total} = {correct/total*100:.2f}%") diff --git a/Pytorch/Project/ez0/HandWriteMLP.py b/Pytorch/Project/ez0/HandWriteMLP.py new file mode 100644 index 0000000..3caae29 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/HandWriteMLP.py @@ -0,0 +1,111 @@ +import torch +import matplotlib.pyplot as plt +from torch import nn +import torch.optim as optim +from torchvision import datasets, transforms +from torch.utils.data import DataLoader + +from main import optimizer + +# 设置超参数 +batch_size = 64 + +# 定义预处理步骤 +transform = transforms.Compose([ + transforms.ToTensor(), # 转换为张量,范围 [0,1] + transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,)) # 标准化:均值、方差是 MNIST 的经验值 +]) + +# 加载训练集 +train_dataset = datasets.MNIST( + root='./data', # 数据存放路径 + train=True, # 训练集 + download=True, # 如果没有就下载 + transform=transform # 应用预处理 +) + +# 加载测试集 +test_dataset = datasets.MNIST( + root='./data', + train=False, # 测试集 + download=True, + transform=transform +) + +# 构建 DataLoader +train_loader = DataLoader( + dataset=train_dataset, + batch_size=batch_size, + shuffle=True # 打乱数据,适合训练 +) + +test_loader = DataLoader( + dataset=test_dataset, + batch_size=batch_size, + shuffle=False # 测试集不需要打乱 +) + +# 简单测试一下 +print(f"训练集大小: {len(train_dataset)}") +print(f"测试集大小: {len(test_dataset)}") + +# 取一个 batch 看看形状 +images, labels = next(iter(train_loader)) +print(f"图片批次维度: {images.shape}") # [batch_size, 1, 28, 28] +print(f"标签批次维度: {labels.shape}") # [batch_size] + +# 从训练集中取一个 batch +images, labels = next(iter(train_loader)) +''' +# 画前 9 张图 +fig, axes = plt.subplots(3, 3, figsize=(6, 6)) +for i, ax in enumerate(axes.flat): + img = images[i].squeeze().numpy() # [1,28,28] -> [28,28] + label = labels[i].item() + ax.imshow(img, cmap="gray") + ax.set_title(f"Label: {label}") + ax.axis("off") + +plt.tight_layout() +plt.show() +''' + +ez = nn.Sequential( + nn.Linear(28 * 28, 256), + nn.ReLU(), + nn.Linear(256, 100), + nn.ReLU(), + nn.Linear(100, 10), +) +criterion = nn.CrossEntropyLoss() + +optimizer = optim.Adam(ez.parameters(), lr=0.002) + +for images, labels in train_loader: + images = images.view(images.size(0), -1) # [batch_size, 28*28] + out = ez(images) + loss = criterion(out, labels) + #反向传播 + optimizer.zero_grad() + loss.backward() + optimizer.step() + print(f": {loss}") + +#训练结束 +ez.eval() # 关闭 dropout/batchnorm 等训练特性 + +correct = 0 +total = 0 + +with torch.no_grad(): # 测试不需要计算梯度,节省显存 + for images, labels in test_loader: + images = images.view(images.size(0), -1) # flatten + outputs = ez(images) # [batch_size, 10] + + # 取每行最大值对应的索引作为预测类别 + _, predicted = torch.max(outputs, 1) + + total += labels.size(0) + correct += (predicted == labels).sum().item() + +print(f"测试集准确率: {correct}/{total} = {correct/total*100:.2f}%") diff --git a/Pytorch/Project/ez0/MyFirstModule.py b/Pytorch/Project/ez0/MyFirstModule.py new file mode 100644 index 0000000..f573307 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/MyFirstModule.py @@ -0,0 +1,49 @@ +import torch +import torch.nn as nn + +ez = nn.Sequential( + nn.Linear(2, 8), + nn.ReLU(), + nn.Linear(8, 8), + nn.ReLU(), + nn.Linear(8, 1) +) +# y = w1 @ x + w2 @ x^2 + b +# 两个特征,第一个是x,第二个是x^2 +criterion = nn.MSELoss() + +x = torch.linspace(-10, 10, 10000).unsqueeze(1) +X = torch.cat([x, x**2], dim=1) +y = x**2 + 2 * x + 1 + +inx = torch.tensor([[2, 4], [1, 1], [3, 9], [4, 16]], dtype=torch.float32) +target = torch.tensor([[9], [4], [16], [25]], dtype=torch.float32) + +lr = 0.00001 +for i in range(10000): + #向前传播 + out = ez(X) + loss = criterion(out, y) + + #反向传播 + loss.backward() + + with torch.no_grad(): + # 3. 手动更新参数 + with torch.no_grad(): # 禁止 autograd 追踪 + for param in ez.parameters(): + param -= lr * param.grad # 梯度下降更新参数 + + #梯度清零 + ez.zero_grad() + + if i % 1000 == 0: + print(f"Epoch {i}: loss={loss.item():.4f}") + +import matplotlib.pyplot as plt + +y_pred = ez(X).detach() +plt.scatter(x.numpy(), x.numpy()**2 + 2*x.numpy() + 1, label='real y = x^2 + 2x + 1') +plt.plot(x.numpy(), y_pred.numpy(), color='r', label='Predicted y = x^2 + 2x + 1') +plt.legend() +plt.show() diff --git a/Pytorch/Project/ez0/__pycache__/main.cpython-313.pyc b/Pytorch/Project/ez0/__pycache__/main.cpython-313.pyc new file mode 100644 index 0000000..795a8c0 Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/__pycache__/main.cpython-313.pyc differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte new file mode 100644 index 0000000..1170b2c Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte.gz b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte.gz new file mode 100644 index 0000000..5ace8ea Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte.gz differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte new file mode 100644 index 0000000..d1c3a97 Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte.gz b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte.gz new file mode 100644 index 0000000..a7e1415 Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte.gz differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte new file mode 100644 index 0000000..bbce276 Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte.gz b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte.gz new file mode 100644 index 0000000..b50e4b6 Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-images-idx3-ubyte.gz differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte new file mode 100644 index 0000000..d6b4c5d Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte.gz b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte.gz new file mode 100644 index 0000000..707a576 Binary files /dev/null and b/Pytorch/Project/ez0/data/MNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte.gz differ diff --git a/Pytorch/Project/ez0/main.py b/Pytorch/Project/ez0/main.py new file mode 100644 index 0000000..2cf26a0 --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/main.py @@ -0,0 +1,26 @@ +import torch +import torch.nn as nn +import torch.optim as optim + +# 1. 定义网络 +model = nn.Sequential( + nn.Linear(10, 20), # 输入10维 → 输出20维 + nn.ReLU(), + nn.Linear(20, 2) # 输出2维(比如2分类) +) + +# 2. 定义损失函数 & 优化器 +criterion = nn.CrossEntropyLoss() +optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01) + +# 3. 模拟训练一步 +x = torch.randn(5, 10) # batch=5, feature=10 +y = torch.tensor([0, 1, 0, 1, 1]) # 分类标签 + +out = model(x) # forward +loss = criterion(out, y) # loss +optimizer.zero_grad() # 梯度清零 +loss.backward() # backward +optimizer.step() # 更新参数 + +print("loss =", loss.item()) diff --git a/Pytorch/Project/ez0/noise.py b/Pytorch/Project/ez0/noise.py new file mode 100644 index 0000000..917dcdf --- /dev/null +++ b/Pytorch/Project/ez0/noise.py @@ -0,0 +1,55 @@ +import torch +import torch.nn as nn +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt +from torch import optim + +# x 张量 +x = torch.linspace(-10, 10, 100).unsqueeze(1) + +# 特征矩阵 +X = torch.cat([x, x**2, x**3, torch.sin(2*x)], dim=1) + +# 高斯噪声 +noise = torch.from_numpy(np.random.normal(0, 3, size=x.shape)).float() + +# 带噪声的 y +y_noisy = 0.5 * x**3 - 2 * x**2 + 3*x + 5 + 4 * torch.sin(2*x) + noise + +# 可视化 +''' +plt.scatter(x, y_noisy, label="Noisy data") +plt.plot(x, 0.5 * x**3 - 2 * x**2 + 3*x + 5 + 4 * torch.sin(2*x), color='red', label="Original function") +plt.legend() +plt.show() +''' +ez = nn.Sequential( + nn.Linear(4, 8), + nn.ReLU(), + nn.Linear(8, 4), + nn.ReLU(), + nn.Linear(4, 1), +) + +criterion = nn.MSELoss() +optimizer = optim.Adam(ez.parameters(), lr=0.0065) + +for i in range(10000): + #向前传播 + out = ez(X) + loss = criterion(out, y_noisy) + #反向传播 + optimizer.zero_grad() + loss.backward() + optimizer.step() + + if i % 100 == 0: + print("Step:", i, "loss =", loss.item()) + +with torch.no_grad(): + y_pred = ez(X) + +plt.scatter(x.numpy(), y_noisy.numpy(), alpha=0.3, label="Noisy data") +plt.plot(x.numpy(), y_pred.numpy(), color='red', label="NN prediction") +plt.legend() +plt.show()