《Pytorch深度学习和图神经网络(卷 1)》学习笔记——第三章

最新推荐文章于 2025-03-11 18:39:13 发布

404detective

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分类专栏： PyTorch—学习笔记文章标签：深度学习神经网络 pytorch

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学习基于如下书籍，仅供自己学习，用来记录回顾，非教程。

<PyTorch深度学习和图神经网络（卷 1）——基础知识>一书配套代码：
https://github.com/aianaconda/pytorch-GNN-1st
百度网盘链接：https://pan.baidu.com/s/1WjggntFWod0CQh6_y77l4w
提取码：jqtq
压缩包密码：dszn

该章为实例，不做具体分析，只叙述大致流程。

先利用sklearn生成如下数据集。我将随机种子设置为404
在这里插入图片描述
然后开始搭建网络，该网络模型共三层，输入、隐藏、输出。第一层为两个输入，即为点的横纵坐标，第二层为任意设置的神经元个数用来拟合，第三层为2个输出，即为两种类别。

第一次训练便出现了欠拟合的问题，进入了局部最优解，由于隐藏层只有3个神经元，将其改为5便得到了很好的拟合。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
但是其第200到600轮损失很高，明显陷入局部最优，让我们看看200轮是什么效果。

果然模型欠拟合，增加更多的隐藏层的神经元试试。下图为10个的loss图像，在200轮后，新增加的神经元发挥了作用，能够继续拟合。得到了不错的效果。
在这里插入图片描述

此图为随机种子为0时，隐藏层神经元个数为100时的有些过拟合的效果图。
在这里插入图片描述

具体代码分析

利用sklearn.datasets中的make_moons函数生成两组半月数据，并加入0.2的噪声。
X为有两个元素的列表，表示横纵坐标。
Y为该坐标对应的标签类别。

np.random.seed(404)           #设置随机数种子
X, Y = sklearn.datasets.make_moons(200,noise=0.4) #生成2组半圆形数据

然后分别获取类别0和1对应的索引，这样X[arg,0]，X[arg,1]则为Y对应索引的X的横纵坐标。

arg = np.squeeze(np.argwhere(Y==0),axis = 1)     #获取第1组数据索引
arg2 = np.squeeze(np.argwhere(Y==1),axis = 1)    #获取第2组数据索引

用matplotlib.pyplot绘制出来

plt.title("moons data")
plt.scatter(X[arg,0], X[arg,1], s=100,c='b',marker='+',label='data1')
plt.scatter(X[arg2,0], X[arg2,1],s=40, c='r',marker='o',label='data2')
plt.legend() #显示类别的label
plt.show()

定义网络模型。共三层，输入、隐藏、输出层。都为线性层。forward完后输出x作为预测值，输入进predict和getloss

class LogicNet(nn.Module):
    def __init__(self,inputdim,hiddendim,outputdim):#初始化网络结构
        super(LogicNet,self).__init__()
        self.Linear1 = nn.Linear(inputdim,hiddendim) #定义全连接层
        self.Linear2 = nn.Linear(hiddendim,outputdim)#定义全连接层
        self.criterion = nn.CrossEntropyLoss() #定义交叉熵函数

    def forward(self,x): #搭建用两层全连接组成的网络模型
        x = self.Linear1(x)#将输入数据传入第1层
        x = torch.tanh(x)#对第一层的结果进行非线性变换
        x = self.Linear2(x)#再将数据传入第2层
#        print("LogicNet")
        return x

    def predict(self,x):#实现LogicNet类的预测接口
        #调用自身网络模型，并对结果进行softmax处理,分别得出预测数据属于每一类的概率
        pred = torch.softmax(self.forward(x),dim=1)
        return torch.argmax(pred,dim=1)  #返回每组预测概率中最大的索引

    def getloss(self,x,y): #实现LogicNet类的损失值计算接口
        y_pred = self.forward(x)
        loss = self.criterion(y_pred,y)#计算损失值得交叉熵
        return loss

定义网络模型

model = LogicNet(inputdim=2,hiddendim=10,outputdim=2)#初始化模型
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01)#定义优化器

模型训练

xt = torch.from_numpy(X).type(torch.FloatTensor)#将Numpy数据转化为张量
yt = torch.from_numpy(Y).type(torch.LongTensor)
epochs = 1000 #定义迭代次数
losses = [] #定义列表，用于接收每一步的损失值
for i in range(epochs):
    loss = model.getloss(xt,yt)
    losses.append(loss.item())
    optimizer.zero_grad()#清空之前的梯度
    loss.backward()#反向传播损失值
    optimizer.step()#更新参数
plot_losses(losses)

可视化训练结果，定义如下函数

def moving_average(a, w=10):#定义函数计算移动平均损失值
    if len(a) < w:
        return a[:]
    return [val if idx < w else sum(a[(idx-w):idx])/w for idx, val in enumerate(a)]

def plot_losses(losses):
    avgloss= moving_average(losses) #获得损失值的移动平均值
    plt.figure(1)
    plt.subplot(211)
    plt.plot(range(len(avgloss)), avgloss, 'b--')
    plt.xlabel('step number')
    plt.ylabel('Training loss')
    plt.title('step number vs. Training loss')
    plt.show()

使用及评估模型
计算准确率accuracy

from sklearn.metrics import accuracy_score
print(accuracy_score(model.predict(xt),yt))

可视化模型
数据为二维数组，可以在直角坐标系中进行可视化。
定义函数plot_decision_boundary()

def predict(model,x):   #封装支持Numpy的预测接口
    x = torch.from_numpy(x).type(torch.FloatTensor)
    ans = model.predict(x)
    return ans.numpy()

def plot_decision_boundary(pred_func,X,Y):#在直角坐标系中可视化模型能力
    #计算取值范围
    x_min, x_max = X[:, 0].min() - .5, X[:, 0].max() + .5
    y_min, y_max = X[:, 1].min() - .5, X[:, 1].max() + .5
    h = 0.01
    #在坐标系中采用数据，生成网格矩阵，用于输入模型
    xx,yy=np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
    #将数据输入并进行预测
    Z = pred_func(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    #将预测的结果可视化
    plt.contourf(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Spectral)
    plt.title("Linear predict")
    arg = np.squeeze(np.argwhere(Y==0),axis = 1)
    arg2 = np.squeeze(np.argwhere(Y==1),axis = 1)
    plt.scatter(X[arg,0], X[arg,1], s=100,c='b',marker='+')
    plt.scatter(X[arg2,0], X[arg2,1],s=40, c='r',marker='o')
    plt.show()
    
plot_decision_boundary(lambda x : predict(model,x) ,xt.numpy(), yt.numpy())