pytorch中backward()方法自动求梯度

本文详细介绍了PyTorch中自动求梯度的原理,通过源张量和结果张量的概念,讲解了如何使用`backward()`方法。对于一维张量,可以通过求和将其转换为标量,再调用`backward()`计算梯度;而对于二维或更高维张量,可以使用`ones_like()`创建一个等形状的张量,作为`backward()`的输入,以计算源张量的梯度。理解这一过程对于深度学习模型的训练至关重要。
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1、区分源张量和结果张量

x = torch.arange(-8.0, 8.0, 0.1, requires_grad= True)
y = x.relu()

x为源张量,基于源张量x得到的张量y为结果张量

2、如何使用backward()方法自动求梯度

一个标量调用它的backward()方法后,会根据链式法则自动计算出源张量的梯度值。

2.1、结果张量是一维张量

基于以上例子,就是将一维张量y变成标量后,然后通过调用backward()方法,就能自动计算出x的梯度值。
那么,如何将一维张量y变成标量呢?
一般通过对一维张量y进行求和来实现,即y.sum()
一个一维张量就是一个向量,对一维张量求和等同于这个向量点乘一个等维的单位向量,使用求和得到的标量y.sum()对源张量x求导y的每个元素对x的每个元素求导结果是一样的,最终对源张量x的梯度求解没有影响。
因此,代码如下:

y.sum().backward() 
x.grad
2.2、结果张量是二维张量或更高维张量

撇开上面例子,结果变量y可能是二维张量或者更高维的张量,这时可以理解为一般点乘一个等维的单位张量(点乘,是向量中的概念,这样描述只是方便理解),代码如下:

y.backward(torch.ones_like(y))#grad_tensors=torch.ones_like(y)
x.grad

参考

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<think>首先,用户的问题是基于之前的上下文查询PyTorchbackward函数的使用方法。之前的引用提供了相关信息,我需要提取关键点来回答。 关键引用总结: - [^1]: backward()函数用于反向传播计算,参数有疑问。 - [^2]: backward函数反向导,使用链式法则。如果对非标量y导,需要指定grad_tensors,其形状必须与y相同。给出了一个例子。 - [^3]: backward函数实现梯度反向传播,基于operations的DAG(有向无环图),通过遍历图调用backward方法。 - [^4]: 解释了gradient参数的使用,当多个输出对多个输入的单导数时,需要通过gradient参数指定。 用户当前查询:"我想查找pytorchbackward函数的使用方法 请问pytorch backward函数使用方法" 我的回答需要: - 使用中文。 - 结构清晰,逐步解决问题。 - 符合系统级指令:行内数学表达式用$...$,独立公式用$$...$$并单独成段。 - 在引用段落末尾添加引用标识,如[^1]。 - 生成相关问题。 回答结构: 1. **介绍backward函数**:解释其作用在PyTorch中。 2. **基本用法**:针对标量输出。 3. **非标量输出的处理**:使用grad_tensors参数。 4. **示例代码**:展示如何使用。 5. **关键点**:如梯度累加、requires_grad等。 6. **生成相关问题**。 确保LaTeX语法正确,如果有数学表达式。 逐步构建回答: - **步骤1: 介绍backward函数** backward()函数用于自动计算梯度,基于链式法则。它在PyTorch自动微分系统中起到核心作用,用于实现反向传播[^1][^3]。 - **步骤2: 标量输出的情况** 当输出是一个标量时(如损失值),可以直接调用backward(),无需额外参数。梯度会存储在输入张量的.grad属性中。 - **步骤3: 非标量输出的情况** 如果输出是非标量(如向量),需要指定grad_tensors参数。这是一个与输出形状相同的张量,表示每个输出元素对梯度的权重[^2][^4]。 数学上,如果y是输出向量,x是输入,计算∂L/∂x,其中L是损失函数。通过grad_tensors指定∂L/∂y的元素。 - **步骤4: 代码示例** 基于引用[^2]和[^4]提供例子。 标量示例: ```python import torch x = torch.tensor([2.0], requires_grad=True) y = x * x # y = x^2 y.backward() # computes d(y)/dx = 2x print(x.grad) # tensor([4.0]) ``` 非标量示例: ```python x = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0], requires_grad=True) y = x * 2 # y = [2, 4, 6] # Suppose we want to compute gradients as if each output had a weight of [1, 1, 1] grad_tensors = torch.tensor([1.0, 1.0, 1.0]) y.backward(grad_tensors) print(x.grad) # tensor([2.0, 2.0, 2.0]) because d(y_i)/dx_i = 2 ``` 如果需要只对特定元素计算梯度,可以调整grad_tensors。 - **步骤5: 注意事项** - 梯度会累加:每次backward()后,.grad属性会累加新梯度。使用x.grad.zero_()清除。 - requires_grad=True:只有设置了该属性的张量才能计算梯度。 - DAG基础:操作记录在计算图中,backward()遍历该图计算梯度[^3]。 - **生成相关问题** 基于常见疑问: 1. 如何处理多次调用backward()时的梯度累加? 2. backward()函数在不同网络结构中的应用? 3. 如何避免内存泄漏或优化backward()性能? 4. PyTorch自动微分机制与其他框架的比较? 确保引用:在描述中使用引用标识。 </think>### PyTorchbackward函数使用方法详解 在PyTorch中,`backward()`函数是自动微分机制的核心,用于计算梯度并实现反向传播。以下基于引用内容,逐步解析其使用方法(关键点**加粗**强调)。 --- #### 1. **基本作用与原理** - **功能**:`backward()`通过链式法则自动计算张量的梯度。所有操作(如加法、乘法)都会被记录在动态计算图(DAG)中,反向传播时按拓扑序遍历该图来计算梯度[^3]。 - **梯度存储**:计算结果存储在输入张量的`.grad`属性中。 - **适用场景**: - 标量输出:可直接调用`y.backward()`。 - 非标量输出:需指定`grad_tensors`参数(见下文)。 --- #### 2. **标量输出的用法(最常见)** 当输出是标量(如损失函数值)时,调用`backward()`无需额外参数: ```python import torch x = torch.tensor([3.0], requires_grad=True) # 启用梯度跟踪 y = x ** 2 # y = x²(标量输出) y.backward() # 自动计算 dy/dx print(x.grad) # 输出梯度值:tensor([6.0]),因为 dy/dx = 2x → 2*3=6 ``` **关键点**:梯度计算公式为 $\frac{\partial y}{\partial x} = 2x$,结果累加在`.grad`属性中[^2][^3]。 --- #### 3. **非标量输出的用法** 若输出是向量/张量(如多输出网络),需通过`grad_tensors`指定权重向量: - **参数要**:`grad_tensors`必须与输出`y`形状相同,表示每个输出分量的梯度权重。 - **示例**:计算 $y = 2x$ 的梯度 ```python x = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0], requires_grad=True) y = x * 2 # y = [2.0, 4.0, 6.0](非标量) grad_weights = torch.tensor([1.0, 1.0, 1.0]) # 权重向量,形状与y一致 y.backward(gradient=grad_weights) # 指定梯度权重 print(x.grad) # 输出:tensor([2.0, 2.0, 2.0]),因为 ∂y_i/∂x_i = 2 ``` - **数学原理**:实际计算的是加权梯度之和 $\sum_i \text{weight}_i \cdot \frac{\partial y_i}{\partial x}$。若需计算单个 $y_i$ 对 $x$ 的梯度(如仅 $y_1$),设置 `grad_weights = [1.0, 0.0, 0.0]`[^4]。 --- #### 4. **关键注意事项** - **梯度累加**:多次调用`backward()`会使`.grad`值累加。训练时应手动清零: ```python optimizer.zero_grad() # 或在优化前执行 x.grad.zero_() ``` - **计算图释放**:默认每次`backward()`后计算图被释放。保留图可使用 `retain_graph=True` 参数: ```python y.backward(retain_graph=True) # 允许多次反向传播 ``` - **requires_grad属性**:只有`requires_grad=True`的张量会计算梯度[^3]。 --- #### 5. **完整示例:线性回归场景** ```python # 定义数据和参数 x_data = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0]) w = torch.tensor([1.0], requires_grad=True) # 权重,需梯度 b = torch.tensor([0.5], requires_grad=True) # 偏置,需梯度 # 前向传播 y_pred = w * x_data + b loss = ((y_pred - x_data) ** 2).mean() # MSE损失(标量) # 反向传播 loss.backward() # 自动计算梯度 print("dL/dw =", w.grad) # 梯度值 print("dL/db =", b.grad) ``` ---
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