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Build the Neural Network — PyTorch Tutorials 2.0.1+cu117 documentation
构建神经网络
神经网络由操作数据的层/模块组成，torch.nn 命名空间提供了构建自己的神经网络所需的所有构建块。PyTorch中的每个模块都是nn.Module 的子类。神经网络本身就是一个由其他模块(层)组成的模型.这种嵌套结构允许轻松地构建和管理复杂的体系结构。
在下面的部分中，我们将构建一个神经网络来对FashionMNIST数据集中的图像进行分类。
import os
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets, transforms获取训练的设备
如果可以的话，我们希望能够在GPU或MPS等硬件加速器上训练我们的模型。我们来检查一下torch.cuda 或者 torch.backends.mps 是否可用，否则我们使用CPU
device = (
"cuda"
if torch.cuda.is_available()
else "mps"
if torch.backends.mps.is_available()
else "cpu"
)
print(f"Using {device} device")输出
Using cuda device定义类
我们通过继承nn.Module类来定义神经网络，并在__init__方法中初始化神经网络层。每一个继承nn.Module 的子类要在forward方法中实现对输入数据的操作。
class NeuralNetwork(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.flatten = nn.Flatten()
self.linear_relu_stack = nn.Sequential(
nn.Linear(28*28, 512),
nn.ReLU(),
nn.Linear(512, 512),
nn.ReLU(),
nn.Linear(512, 10),
)
def forward(self, x):
x = self.flatten(x)
logits = self.linear_relu_stack(x)
return logits我们创建一个NeuralNetwork的实例，并将其移动到设备上，并打印其结构。
model = NeuralNetwork().to(device)
print(model)输出
NeuralNetwork(
(flatten): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(linear_relu_stack): Sequential(
(0): Linear(in_features=784, out_features=512, bias=True)
(1): ReLU()
(2): Linear(in_features=512, out_features=512, bias=True)
(3): ReLU()
(4): Linear(in_features=512, out_features=10, bias=True)
)
)
为了使用该模型，我们将输入数据传递给它。这将执行模型的forward 方法，以及一些 background operations。不要直接调用model.forward() !
通过输入调用模型将返回一个二维的张量，其中dim=0(第一个维度)对应每个类的10个预测值的每个输出，dim=1(第二个维度)对应于每个输出的单个值。
X = torch.rand(1, 28, 28, device=device)
logits = model(X)
pred_probab = nn.Softmax(dim=1)(logits)
y_pred = pred_probab.argmax(1)
print(f"Predicted class: {y_pred}")输出
Predicted class: tensor([7], device='cuda:0')模型层
让我们来分解一下FashionMNIST模型的层次。为了说明这一点，我们将采用3张大小为28x28的小批次图像的样本，看看当我们将其通过网络时发生了什么。
input_image = torch.rand(3,28,28)
print(input_image.size())输出
torch.Size([3, 28, 28])nn.Flatten
我们初始化 nn.Flatten 层，将每个2D的 28x28图像转换为784像素值的连续数组。
flatten = nn.Flatten()
flat_image = flatten(input_image)
print(flat_image.size())输出
torch.Size([3, 784])nn.Linear
linear 层是一个使用其存储的权重和偏置，对输入使用线性变换的全连接模型。
layer1 = nn.Linear(in_features=28*28, out_features=20)
hidden1 = layer1(flat_image)
print(hidden1.size())输出
torch.Size([3, 20])nn.ReLU
非线性激活函数会在模型的输入和输出之间创建复杂的映射。它们应用于线性变换后引入非线性，帮助神经网络学习各种各样的现象。
在这个模型中，我们在线性层之间使用了 nn.ReLU，但是在模型中还有其他方式的激活函数来引入非线性。
print(f"Before ReLU: {hidden1}\n\n")
hidden1 = nn.ReLU()(hidden1)
print(f"After ReLU: {hidden1}")输出
Before ReLU: tensor([[ 0.4158, -0.0130, -0.1144, 0.3960, 0.1476, -0.0690, -0.0269, 0.2690,
0.1353, 0.1975, 0.4484, 0.0753, 0.4455, 0.5321, -0.1692, 0.4504,
0.2476, -0.1787, -0.2754, 0.2462],
[ 0.2326, 0.0623, -0.2984, 0.2878, 0.2767, -0.5434, -0.5051, 0.4339,
0.0302, 0.1634, 0.5649, -0.0055, 0.2025, 0.4473, -0.2333, 0.6611,
0.1883, -0.1250, 0.0820, 0.2778],
[ 0.3325, 0.2654, 0.1091, 0.0651, 0.3425, -0.3880, -0.0152, 0.2298,
0.3872, 0.0342, 0.8503, 0.0937, 0.1796, 0.5007, -0.1897, 0.4030,
0.1189, -0.3237, 0.2048, 0.4343]], grad_fn=<AddmmBackward0>)
After ReLU: tensor([[0.4158, 0.0000, 0.0000, 0.3960, 0.1476, 0.0000, 0.0000, 0.2690, 0.1353,
0.1975, 0.4484, 0.0753, 0.4455, 0.5321, 0.0000, 0.4504, 0.2476, 0.0000,
0.0000, 0.2462],
[0.2326, 0.0623, 0.0000, 0.2878, 0.2767, 0.0000, 0.0000, 0.4339, 0.0302,
0.1634, 0.5649, 0.0000, 0.2025, 0.4473, 0.0000, 0.6611, 0.1883, 0.0000,
0.0820, 0.2778],
[0.3325, 0.2654, 0.1091, 0.0651, 0.3425, 0.0000, 0.0000, 0.2298, 0.3872,
0.0342, 0.8503, 0.0937, 0.1796, 0.5007, 0.0000, 0.4030, 0.1189, 0.0000,
0.2048, 0.4343]], grad_fn=<ReluBackward0>)nn.Sequential
nn.Sequential 是装载模块的有序容器。数据按照容器定义的顺序在所有模块中传递。你可以使用这个有序容器像下面seq_modules 这样快速组装一个网络。
seq_modules = nn.Sequential(
flatten,
layer1,
nn.ReLU(),
nn.Linear(20, 10)
)
input_image = torch.rand(3,28,28)
logits = seq_modules(input_image)nn.Softmax
神经网络的最后一个全连接层返回了logits，原始值在正负无穷之间。这个值被传递给了nn.Softmax 模块。logits被缩放到值[0,1]，表示模型对每个类的预测概率。dim 参数表示对应的维度的值之和为1。
softmax = nn.Softmax(dim=1)
pred_probab = softmax(logits)模型参数
神经网络中的许多层都是参数化的，即在训练过程中优化相关的权重和偏差。nn.Module 的子类，自动跟踪模型对象中定义的所有字段，并使用模型的parameters()或named_parameters()方法访问所有参数。
在本例中，我们遍历每个参数，并打印其大小和预览其值。
print(f"Model structure: {model}\n\n")
for name, param in model.named_parameters():
print(f"Layer: {name} | Size: {param.size()} | Values : {param[:2]} \n")输出
Model structure: NeuralNetwork(
(flatten): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(linear_relu_stack): Sequential(
(0): Linear(in_features=784, out_features=512, bias=True)
(1): ReLU()
(2): Linear(in_features=512, out_features=512, bias=True)
(3): ReLU()
(4): Linear(in_features=512, out_features=10, bias=True)
)
)
Layer: linear_relu_stack.0.weight | Size: torch.Size([512, 784]) | Values : tensor([[ 0.0273, 0.0296, -0.0084, ..., -0.0142, 0.0093, 0.0135],
[-0.0188, -0.0354, 0.0187, ..., -0.0106, -0.0001, 0.0115]],
device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.0.bias | Size: torch.Size([512]) | Values : tensor([-0.0155, -0.0327], device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.2.weight | Size: torch.Size([512, 512]) | Values : tensor([[ 0.0116, 0.0293, -0.0280, ..., 0.0334, -0.0078, 0.0298],
[ 0.0095, 0.0038, 0.0009, ..., -0.0365, -0.0011, -0.0221]],
device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.2.bias | Size: torch.Size([512]) | Values : tensor([ 0.0148, -0.0256], device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.4.weight | Size: torch.Size([10, 512]) | Values : tensor([[-0.0147, -0.0229, 0.0180, ..., -0.0013, 0.0177, 0.0070],
[-0.0202, -0.0417, -0.0279, ..., -0.0441, 0.0185, -0.0268]],
device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.4.bias | Size: torch.Size([10]) | Values : tensor([ 0.0070, -0.0411], device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
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