理论学习:optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step()

本文介绍了PyTorch中训练神经网络的基本流程,包括清零累积梯度的optimizer.zero_grad(),计算梯度的loss.backward(),以及利用梯度更新参数的optimizer.step()。重点讲述了这三个步骤在模型训练中的作用和它们之间的关系。
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  1. optimizer.zero_grad():

    在开始一个新的迭代之前,需要清零累积的梯度。这是因为默认情况下,PyTorch在调用.backward()进行梯度计算时会累积梯度,而不是替换掉旧的梯度。如果不手动清零,那么梯度会从多个迭代中累积起来,导致错误的参数更新。optimizer.zero_grad()正是用来清除过往的梯度信息,确保每次迭代的梯度计算都是基于当前迭代的数据。
  2. loss.backward():

    这一步是进行梯度计算的关键。loss.backward()根据损失函数的值计算每个参数的梯度,并将这些梯度存储在参数的.grad属性中。这个过程是通过反向传播算法实现的,它从损失函数开始,逆向通过网络,根据链式法则计算每个参数对于损失函数的梯度。
  3. optimizer.step():

    最后一步是使用前两步计算得到的梯度来更新模型的参数。optimizer.step()会根据存储在参数.grad属性中的梯度值,以及优化器中定义的学习率等超参数,更新每个参数的值。这一步是实现模型学习和参数优化的核心。

这个过程在每个训练迭代中重复执行,通过逐步调整模型参数,最终目标是使得损失函数的值最小化,即模型在训练数据上的表现尽可能好。这三个步骤合在一起,构成了使用梯度下降法(或其变种)进行模型训练的基本框架。

损失函数与优化器之间的关系

  • 梯度计算:损失函数的计算结果(即损失值)通过反向传播算法计算出对每个模型参数的梯度。这些梯度描述了在参数空间中,损失函数值减小的方向。
  • 参数更新:优化器使用这些梯度来决定如何更新模型的参数,以期望在下一个训练步骤中降低损失函数的值。

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在 PyTorch 的深度学习训练过程中,`optimizer.zero_grad()`、`loss.backward()` 和 `optimizer.step()` 是三个关键步骤,它们共同完成了模型参数的更新[^3]。 ### optimizer.zero_grad() - **含义**:将所有参数的梯度缓存(`.grad`)清零。 - **作用**:PyTorch 默认会将梯度累积(累加)在 `.grad` 中(适用于多批次累积梯度的场景),但在大多数情况下,需要在每次迭代中清空梯度,否则梯度会不断累加,导致参数更新异常。 - **使用场景**:通常在每次迭代开始时调用,以确保每次计算的梯度是独立的。 - **示例代码**: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim # 定义一个简单的模型 model = nn.Linear(10, 1) optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01) optimizer.zero_grad() # 清空梯度缓存 ``` ### loss.backward() - **含义**:计算损失函数关于所有可训练参数(即带 `requires_grad=True` 的参数)的梯度(导数)。 - **作用**:通过反向传播算法(Backpropagation),从损失函数开始,逐层计算每个参数对损失的贡献值(梯度),并将这些梯度存储在参数的 `.grad` 属性中。 - **使用场景**:在计算出损失函数之后调用,用于计算梯度。 - **示例代码**: ```python # 假设已经有输入和目标 inputs = torch.randn(10) target = torch.randn(1) output = model(inputs) criterion = nn.MSELoss() loss = criterion(output, target) # 计算损失 loss.backward() # 反向传播,计算梯度 # 此时,模型参数.grad 包含了梯度值 ``` ### optimizer.step() - **含义**:根据计算得到的梯度(存储在 `.grad` 中),使用优化算法(如 SGD、Adam 等)更新模型参数。 - **作用**:优化器根据预设的学习率和参数更新规则(如 `weight = weight - lr * gradient`)调整参数值,以最小化损失函数。 - **使用场景**:在计算出梯度之后调用,用于更新模型参数。 - **示例代码**: ```python optimizer.step() # 根据梯度更新参数 # 此时,模型参数已被更新 ``` ### 标准训练循环示例 ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim from torch.utils.data import DataLoader, TensorDataset # 定义一个简单的模型 model = nn.Linear(10, 1) criterion = nn.MSELoss() optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.001) # 假设已经有输入和目标 inputs = torch.randn(100, 10) targets = torch.randn(100, 1) dataset = TensorDataset(inputs, targets) dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=10) epochs = 10 for epoch in range(epochs): for inputs, targets in dataloader: optimizer.zero_grad() # 清空梯度缓存 output = model(inputs) loss = criterion(output, targets) # 计算损失 loss.backward() # 反向传播,计算梯度 optimizer.step() # 根据梯度更新参数 ```
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