如何使用pytorch定义一个多层感知神经网络模型——拓展到所有模型知识

# 导入必要的库
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader, random_split
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision.datasets as datasets

# 定义MLP模型
class MLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MLP, self).__init__()
        # 创建一个顺序的层序列：包括一个扁平化层、两个全连接层和ReLU激活
        self.layers = nn.Sequential(
            nn.Flatten(),                       # 将28x28的图像扁平化为784维向量
            nn.Linear(28 * 28, 512),            # 第一个全连接层，784->512
            nn.ReLU(),                          # ReLU激活函数
            nn.Linear(512, 256),                # 第二个全连接层，512->256
            nn.ReLU(),                          # ReLU激活函数
            nn.Linear(256, 10)                  # 第三个全连接层，256->10 (输出10个类别)
        )
        
    def forward(self, x):
        return self.layers(x)                   # 定义前向传播

# 加载FashionMNIST数据集
# 定义图像的预处理：转换为Tensor并标准化
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))])
# 下载FashionMNIST数据并应用转换
dataset = datasets.FashionMNIST(root="./data", train=True, transform=transform, download=True)

# 划分数据集为训练集和验证集
train_len = int(0.8 * len(dataset))           # 计算80%的长度作为训练数据
val_len = len(dataset) - train_len            # 剩下的20%作为验证数据
train_dataset, val_dataset = random_split(dataset, [train_len, val_len])

# 创建数据加载器
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)  # 训练数据加载器，批量大小64，打乱数据
val_loader = DataLoader(val_dataset, batch_size=64, shuffle=False)     # 验证数据加载器，批量大小64，不打乱

# 初始化模型、损失函数和优化器
model = MLP()                                 # 创建MLP模型实例
criterion = nn.CrossEntropyLoss()             # 定义交叉熵损失函数
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)  # 使用Adam优化器

# 训练模型
epochs = 5                                    # 定义训练5个epochs
for epoch in range(epochs):
    model.train()                             # 将模型设置为训练模式
    for inputs, labels in train_loader:       # 从训练加载器中获取批次数据
        outputs = model(inputs)               # 前向传播
        loss = criterion(outputs, labels)     # 计算损失
        optimizer.zero_grad()                 # 清除之前的梯度
        loss.backward()                       # 反向传播，计算梯度
        optimizer.step()                      # 更新权重
        
    # 在每个epoch结束时验证模型性能
    model.eval()                              # 将模型设置为评估模式
    total_correct = 0
    with torch.no_grad():                     # 不计算梯度，节省内存和计算量
        for inputs, labels in val_loader:     # 从验证加载器中获取批次数据
            outputs = model(inputs)           # 前向传播
            _, predicted = outputs.max(1)     # 获取预测的类别
            total_correct += (predicted == labels).sum().item()  # 统计正确的预测数量
    accuracy = total_correct / val_len        # 计算验证准确性
    print(f"Epoch {epoch + 1}/{epochs} - Validation accuracy: {accuracy:.4f}")  # 打印验证准确性

nn.Flatten() 是一个特殊的层，它将多维的输入数据“展平”为一维数据。这在处理图像数据时尤为常见，因为图像通常是多维的（例如，一个大小为28x28的灰度图像在PyTorch中会有一个形状为[28, 28]的张量）。

在神经网络的某些层，特别是全连接层（如nn.Linear）之前，通常需要对数据进行扁平化处理。因为全连接层期望其输入是一维的（或者更准确地说，它期望输入的最后一个维度对应于特征，其他维度对应于数据的批次）。

为了更具体，让我们看一个例子：

考虑一个大小为[batch_size, 28, 28]的张量，这可以看作是一个batch_size数量的28x28图像的批次。当我们传递这个批次的图像到一个nn.Linear(28*28, 512)层时，我们需要先将图像展平。也就是说，每个28x28的图像需要转换为长度为784的一维向量。因此，输入数据的形状会从[batch_size, 28, 28]变为[batch_size, 784]。

nn.Flatten()就是做这个转换的。在这个特定的例子中，它会将[batch_size, 28, 28]的形状转换为[batch_size, 784]。

总结一下：nn.Flatten()用于将多维输入数据转换为一维，从而使其可以作为全连接层（如nn.Linear）的输入。

• transforms.Compose:
  这是一个简单的方式来链接（组合）多个图像转换操作。它会按照提供的顺序执行列表中的每个转换。

• transforms.ToTensor():
  这个转换将PIL图像或NumPy的ndarray转换为FloatTensor。并且它将图像的像素值范围从0-255变为0-1。简言之，它为我们完成了数据类型和值范围的转换。

• transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)):
  这个转换标准化张量图像。给定的参数是均值和标准差。在这里，均值和标准差都是0.5。
  使用给定的均值和标准差，这会将值范围从[0,1]转换为[-1,1]。

整个transform的目的是：

• 将图像数据从PIL格式转换为PyTorch张量格式。
• 将像素值从[0,255]范围转换为[0,1]范围。
• 使用给定的均值和标准差进一步标准化像素值，使其范围为[-1,1]。

初始化模型、损失函数和优化器

• model = MLP():

  • 这里我们实例化了我们之前定义的MLP类，从而创建了一个多层感知器（MLP）模型。

• criterion = nn.CrossEntropyLoss():

  • 在分类任务中，交叉熵损失函数 (CrossEntropyLoss) 是最常用的损失函数之一。它衡量真实标签和预测之间的差异。
  • 注意：CrossEntropyLoss在内部执行softmax操作，因此模型输出应该是未经softmax处理的原始分数（logits）。

• optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001):

  • 优化器负责更新模型的权重，基于计算的梯度来减少损失。
  • Adam是一种流行的优化器，它结合了两种扩展的随机梯度下降：Adaptive Gradients 和 Momentum。
  • model.parameters()是传递给优化器的，它告诉优化器应该优化/更新哪些权重。
  • lr=0.001定义了学习率，这是一个超参数，表示每次权重更新的步长大小。

常见的相关资料解答

1. 模型 (在torch.nn中):

除了基本的MLP外，PyTorch提供了很多预定义的层和模型，常见的包括：

Convolutional Neural Networks (CNNs):
    nn.Conv2d: 2D卷积层，常用于图像处理。
    nn.Conv3d: 3D卷积层，常用于视频处理或医学图像。
    nn.MaxPool2d: 最大池化层。

Recurrent Neural Networks (RNNs):
    nn.RNN: 基本的RNN层。
    nn.LSTM: 长短时记忆网络。
    nn.GRU: 门控循环单元。

Transformer Architecture:
    nn.Transformer: 用于自然语言处理任务的Transformer模型。

Batch Normalization, Dropout等:
    nn.BatchNorm2d: 批量归一化。
    nn.Dropout: 防止过拟合的正则化方法。

2. 损失函数 (在torch.nn中):

常见的损失函数有：

Classification:
    nn.CrossEntropyLoss: 用于分类任务的交叉熵损失。
    nn.BCEWithLogitsLoss: 用于二分类任务的二元交叉熵损失，包括内部的sigmoid操作。
    nn.MultiLabelSoftMarginLoss: 用于多标签分类任务。

Regression:
    nn.MSELoss: 均方误差，用于回归任务。
    nn.L1Loss: L1误差。

Generative models:
    nn.KLDivLoss: Kullback-Leibler散度，常用于生成模型。

3. 优化器 (在torch.optim中):

常见的优化器有：

optim.SGD: 随机梯度下降。
optim.Adam: 一个非常受欢迎的优化器，结合了AdaGrad和RMSProp的特点。
optim.RMSprop: 常用于深度学习任务。
optim.Adagrad: 自适应学习率优化器。
optim.Adadelta: 类似于Adagrad，但试图解决其快速降低学习率的问题。
optim.AdamW: Adam的变种，加入了权重衰减。

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