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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。
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### 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
```
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### 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]}')
```
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### 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!
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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。
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### 1. SGDStochastic 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)
```
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### 2. LBFGSLimited-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)
```
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### 3. AdagradAdaptive 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. RMSPropRoot 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. AdamAdaptive 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 |
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### 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!