两种反向传播理解思路的统一

本文探讨了反向传播算法的不同阐释方式,分析了其名称由来及背后的梯度计算实质。对比了基于计算图和多层感知机模型的两种视角,并讨论了它们之间的联系与统一。

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在我学习反向传播算法的时候,我接触了两种不同类型的阐述方式,一种是Michael Nielsen和Andrew Ng的(以下简称N2),他们的推导过程几乎一样。另一种是CS231n中基于链式法则的。这两个虽然我都明白,但是总觉得好像差别有点大,或者说既然他们说的是一个东西,那么肯定能在某一种层次上它们说的能统一在一起。为了寻找它们的统一,下面是我的一些思考。

先从“反向传播”这个名字说起

“反向传播”这个名字我觉得就起的相当不好。容易让人望文生义。接触机器学习这么长时间,反反复复的碰到反向传播,到今天已然觉得名字啥的不重要了,我们学习反向传播学习的是一种求梯度思想方法。我们想求解一个函数对于其中任何一个自变量的梯度,当这个函数的表达式非常的复杂的时候(多层嵌套,多个变元),如何简单的进行求解,“反向传播”这个名词想表达的是这样一个东西。
我猜测之所以会起“反向传播”这个名字,可能是想和“前向传播”这个名字对应起来。而‘前向传播’说的啥?前向传播的本质是当自变量值确定的时候,计算整个函数表达式的值(计算个表达式的值还搞得这么故弄玄虚)。而“反向传播”的本质是求函数的梯度,这两除了名字上形成对仗关系以外没啥别的关系。

反向传播,传播的是啥

好吧,我们假定“反向传播”不是故弄玄虚,而真的是在神经网络结构,逆着“前向传播”的方向传播了点东西,那么这个东西是什么?是“误差”还是“梯度”?
这个问题其实也没那么重要,主要看你哪种图形为基准。如果你是以计算图为基准的话,那么传播的是“梯度”,如果你是以多层感知机为基准的话,那么传播的就是误差。
说道这里我觉得“误差”这个说法不严谨,正确来说这里的误差并不是真正意义上的误差(真值和计算值之间的距离),其实这里的误差,准确的来说是“误差的敏感程度”。
这里Michael Nielsen在他那本深度学习中费了一些笔墨解释这个事情,还拿出了小精灵说事,但是其实他就想说,“梯度体现了误差的敏感程度”,“在这个算法里,我们用误差来代指误差敏感度”。所以本质上来说反向传播的实体是梯度啦。

我们思考问题的时候到底是用“计算图”模型还是用“多层感知机”模型

我们知道反向传播的理论基础就是链式求导法则。如果从纯数学的角度上来看,对我们某一个函数使用链式法则,很自然的就以这个函数表达式的计算过程图形化,这个就是计算图模型。而多层感知机本质上也是一种计算图,只是它为了突出神经元的结果,或者说为了模拟生物神经结构而形成的一种特殊的计算图,可以把神经元看成包含两步运算节点(第一步是计算输入,第二步是计算激励),而如果我们利用计算图模型,我们在一个节点上只会赋予一种操作。
而且我们利用计算图的时候,我们是以损失函数为基准的,直接将损失函数的完整形式计算图化。而多层感知机模型表示的仅仅是hypothesis,相对于损失函数,它的缺少一个真值和预测值求差的一步。这就是为什么Nielsen以及Ng的教程里,第一步都是先求error。
如果“多层感知机”模型加上求error的这一步本质上它和计算图模型是一样的。

那么这两种理解思路能否统一呢?

关于我一开始的疑问——如何将CS231n和N2统一起来——我在花书中并没有找到直接的答案。但是这两中方法书上都介绍了,它是以这样一个方式来组织编排的:

  1. 先给了计算图模型——这个是辅助我们思考的工具
  2. 介绍了链式法则的集中形式——标量形式、矩阵形式、张量形式
  3. 给出了第一版BP算法,它其实就是利用动态规划的方法实现链式法则。之所以能够利用动态规划来实现计算是因为链式法则本身具有这样一种结构——就是某一个自变量上的梯度,只和它的本地梯度与上游传递下来的梯度这两个因素有关(等于这两个部分之积)——这个洞见在CS231n上解释的非常清楚。当然这个版本的算法也做了一些简化假设,就是认为,最后的输出结果是一个标量,中间产生的结果也是标量,全程标量。
  4. 之后在多层感知机的框架下再次给出了一版BP算法(可以看成上述形式在多层感知机模型下的特化)
  5. 最后给出了BP的一般形式。我觉得这个一般形式就是在第一版的基础上将原来的标量换成张量,而且还引入了一些get_operation(),get_omsumers()这样的操作,显得更像一个计算机算法了。

通过上述的分析,如果非要把这N2和CS231n的两种思路统一起来的话,那就基于多层感知机框架的BP算法是基于链式法则BP算法的一种特化形式(因为MLP就是一种特殊的计算图嘛),没了。

<think>嗯,用户之前问过如何在百度AI Studio里使用PyTorch,但遇到了系统兼容性问题,因为AI Studio默认是PaddlePaddle的环境。我之前给了两种解决方案:一种是强制安装PyTorch绕过限制,另一种是转用PaddlePaddle。现在用户接着问怎么通过第二种方法(即使用PaddlePaddle)来实现PyTorch的功能,也就是如何用PaddlePaddle完成原本用PyTorch做的事情。 首先,我需要确定用户的需求是什么。用户可能已经有一个用PyTorch写的项目,现在需要在AI Studio上运行,但不想或不能使用第一种方法安装PyTorch,所以想转用PaddlePaddle。或者用户可能对PaddlePaddle不熟悉,想知道如何用PaddlePaddle实现类似PyTorch的功能。 接下来,我需要考虑用户可能缺乏PaddlePaddle的知识,特别是如何将PyTorch代码转换为PaddlePaddle。需要提供具体的转换方法,比如语法对比、工具推荐以及步骤指导。此外,用户可能需要了解PaddlePaddle的基本操作,比如模型定义、数据处理、训练循环等。 用户可能还会有疑问,比如PaddlePaddle和PyTorch的差异大不大,是否有自动转换工具,或者性能如何。需要确保回答覆盖这些点,并提供资源链接,方便用户进一步学习。 另外,用户可能希望有一个逐步的指南,从安装到模型转换,再到实际训练,所以结构需要清晰,分步骤说明。同时,要强调官方工具如X2Paddle的重要性,这样用户可以快速迁移现有项目。 还需要注意,用户可能对PaddlePaddle的API不熟悉,所以提供对照表和示例代码会很有帮助。比如,张量创建、层定义、优化器使用等方面的对比,让用户更容易理解。 最后,要提醒用户使用PaddlePaddle的优势,比如更好的兼容性、官方支持以及资源丰富,同时也不排除在必要时推荐其他平台,如Colab或Kaggle,如果用户必须使用PyTorch的话。 总结来说,回答需要包括以下几个方面: 1. 转换PyTorch代码到PaddlePaddle的方法,包括手动和自动工具。 2. PaddlePaddle与PyTorch的语法对照,帮助用户理解差异。 3. 具体的步骤示例,比如模型定义、训练循环的代码对比。 4. 推荐资源和工具,如X2Paddle和官方文档。 5. 常见问题解答,解决用户可能遇到的疑虑。 需要确保回答结构清晰,步骤明确,提供实际代码示例,并引导用户利用现有工具和资源,降低迁移难度。同时,语言要简洁易懂,避免过于技术性的术语,让新手也能跟上。</think>--- ### 通过PaddlePaddle实现PyTorch功能的核心思路 由于AI Studio原生支持PaddlePaddle,直接安装PyTorch存在兼容性风险。**推荐通过以下两种方式实现PyTorch功能**: 1. **手动代码迁移**(适合简单项目):利用PaddlePaddle与PyTorch相似的API设计,逐行重写代码 2. **自动转换工具**(适合复杂项目):使用官方工具`X2Paddle`批量转换PyTorch模型代码 --- ### 方法一:手动代码迁移(分步骤详解) #### 步骤1:API映射对照 PaddlePaddle与PyTorch的API设计高度相似,但需注意以下关键差异点: | **功能** | **PyTorch代码** | **PaddlePaddle代码** | |---------------------|-----------------------------------------|------------------------------------------| | 张量创建 | `torch.tensor([1,2,3])` | `paddle.to_tensor([1,2,3])` | | 数据加载 | `torch.utils.data.DataLoader` | `paddle.io.DataLoader` | | 模型保存 | `torch.save(model.state_dict(), path)` | `paddle.save(model.state_dict(), path)` | | GPU设备切换 | `model.cuda()` | `model.to('gpu:0')` | | 梯度清零 | `optimizer.zero_grad()` | `optimizer.clear_grad()` | #### 步骤2:模型结构迁移示例 以简单的CNN分类模型为例: **PyTorch原版** ```python import torch.nn as nn class CNN(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3) self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2) self.fc = nn.Linear(64*16*16, 10) def forward(self, x): x = self.pool(nn.ReLU()(self.conv1(x))) x = x.view(-1, 64*16*16) return self.fc(x) ``` **转换后的PaddlePaddle版** ```python import paddle.nn as nn class CNN(nn.Layer): def __init__(self): super().__init__() self.conv1 = nn.Conv2D(3, 64, kernel_size=3) self.pool = nn.MaxPool2D(2, 2) self.fc = nn.Linear(64*16*16, 10) def forward(self, x): x = self.pool(nn.ReLU()(self.conv1(x))) x = paddle.flatten(x, 1) # 替代view return self.fc(x) ``` #### 步骤3:训练流程调整 关键修改点: ```python # PyTorch的损失计算与反向传播 loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() optimizer.step() # PaddlePaddle等效写法(需显式调用clear_grad) loss = loss_fn(outputs, labels) loss.backward() optimizer.step() optimizer.clear_grad() # 必须手动清空梯度 ``` --- ### 方法二:使用X2Paddle自动转换 #### 操作流程 1. **安装转换工具** ```bash !pip install x2paddle ``` 2. **转换PyTorch模型文件** ```bash !x2paddle --framework pytorch --model pt_model.pth --save_dir pd_model ``` 3. **加载转换后的模型** ```python from pd_model.model_code import InferenceModel model = InferenceModel() model.eval() ``` #### 转换效果验证 - **支持范围**: - 90%以上的常见算子(Conv、LSTM、Transformer等) - ONNX格式模型(需先导出为`.onnx`) - **局限性**: - 自定义算子需手动实现 - 动态图控制流(如复杂循环)可能转换失败 --- ### 关键问题解决方案 #### 问题1:如何处理PyTorch动态图特性? PaddlePaddle提供**动静统一编程范式**: ```python @paddle.jit.to_static # 添加装饰器实现动转静 def forward(self, x): if x.sum() > 0: # 动态控制流 return self.layer1(x) else: return self.layer2(x) ``` #### 问题2:如何复用PyTorch数据预处理代码? 大部分NumPy/PIL操作可直接兼容: ```python # PyTorch数据增强 from torchvision import transforms transform = transforms.Compose([ transforms.RandomResizedCrop(224), transforms.ToTensor() ]) # PaddlePaddle等效写法 from paddle.vision.transforms import Compose, RandomResizedCrop, ToTensor transform = Compose([ RandomResizedCrop(224), ToTensor() ]) ``` --- ### 性能优化技巧 1. **混合精度训练** ```python scaler = paddle.amp.GradScaler() with paddle.amp.auto_cast(): outputs = model(inputs) loss = loss_fn(outputs, labels) scaler.scale(loss).backward() scaler.step(optimizer) scaler.update() ``` 2. **多卡并行** ```python strategy = paddle.distributed.MirroredStrategy() with strategy.scope(): model = CNN() optimizer = paddle.optimizer.Adam(parameters=model.parameters()) ``` --- ### 官方资源导航 1. **API映射表** [PaddlePaddle与PyTorch API对照文档](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/guides/08_api_mapping/pytorch_api_mapping_cn.html) 2. **实战案例库** - 图像分类:[ResNet迁移示例](https://aistudio.baidu.com/projectdetail/7162872) - NLP:[BERT文本分类](https://aistudio.baidu.com/projectdetail/4358951) --- **最终建议**: - 对于新项目,直接基于PaddlePaddle开发可避免兼容性问题 - 对于已有PyTorch项目,先用`X2Paddle`转换基础结构,再手动优化细节 - 遇到具体问题可通过AI Studio的【技术答疑】板块快速获取官方支持
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