{ "cells": [ { "cell_type": "markdown", "id": "3b3e0a72", "metadata": { "origin_pos": 0 }, "source": [ "# 线性回归的从零开始实现\n", ":label:`sec_linear_scratch`\n", "\n", "在了解线性回归的关键思想之后,我们可以开始通过代码来动手实现线性回归了。\n", "在这一节中,(**我们将从零开始实现整个方法,\n", "包括数据流水线、模型、损失函数和小批量随机梯度下降优化器**)。\n", "虽然现代的深度学习框架几乎可以自动化地进行所有这些工作,但从零开始实现可以确保我们真正知道自己在做什么。\n", "同时,了解更细致的工作原理将方便我们自定义模型、自定义层或自定义损失函数。\n", "在这一节中,我们将只使用张量和自动求导。\n", "在之后的章节中,我们会充分利用深度学习框架的优势,介绍更简洁的实现方式。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 1, "id": "c6f4cd71", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:01.462670Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:01.461918Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.547486Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.546281Z" }, "origin_pos": 2, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "%matplotlib inline\n", "import random\n", "import torch\n", "from d2l import torch as d2l" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "18283191", "metadata": { "origin_pos": 5 }, "source": [ "## 生成数据集\n", "\n", "为了简单起见,我们将[**根据带有噪声的线性模型构造一个人造数据集。**]\n", "我们的任务是使用这个有限样本的数据集来恢复这个模型的参数。\n", "我们将使用低维数据,这样可以很容易地将其可视化。\n", "在下面的代码中,我们生成一个包含1000个样本的数据集,\n", "每个样本包含从标准正态分布中采样的2个特征。\n", "我们的合成数据集是一个矩阵$\\mathbf{X}\\in \\mathbb{R}^{1000 \\times 2}$。\n", "\n", "(**我们使用线性模型参数$\\mathbf{w} = [2, -3.4]^\\top$、$b = 4.2$\n", "和噪声项$\\epsilon$生成数据集及其标签:\n", "\n", "$$\\mathbf{y}= \\mathbf{X} \\mathbf{w} + b + \\mathbf\\epsilon.$$\n", "**)\n", "\n", "$\\epsilon$可以视为模型预测和标签时的潜在观测误差。\n", "在这里我们认为标准假设成立,即$\\epsilon$服从均值为0的正态分布。\n", "为了简化问题,我们将标准差设为0.01。\n", "下面的代码生成合成数据集。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 2, "id": "54efeafe", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.553500Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.552544Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.560226Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.559125Z" }, "origin_pos": 6, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "def synthetic_data(w, b, num_examples): #@save\n", " \"\"\"生成y=Xw+b+噪声\"\"\"\n", " X = torch.normal(0, 1, (num_examples, len(w)))\n", " y = torch.matmul(X, w) + b\n", " y += torch.normal(0, 0.01, y.shape)\n", " return X, y.reshape((-1, 1))" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 3, "id": "1e60261c", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.564932Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.564190Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.575309Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.574216Z" }, "origin_pos": 8, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "true_w = torch.tensor([2, -3.4])\n", "true_b = 4.2\n", "features, labels = synthetic_data(true_w, true_b, 1000)" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "772256cb", "metadata": { "origin_pos": 9 }, "source": [ "注意,[**`features`中的每一行都包含一个二维数据样本,\n", "`labels`中的每一行都包含一维标签值(一个标量)**]。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 4, "id": "ec13e4f8", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.580067Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.579449Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.587391Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.586306Z" }, "origin_pos": 10, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "features: tensor([1.4632, 0.5511]) \n", "label: tensor([5.2498])\n" ] } ], "source": [ "print('features:', features[0],'\\nlabel:', labels[0])" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "6b8c624b", "metadata": { "origin_pos": 11 }, "source": [ "通过生成第二个特征`features[:, 1]`和`labels`的散点图,\n", "可以直观观察到两者之间的线性关系。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 5, "id": "53ef493c", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.592131Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.591402Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.829190Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.827927Z" }, "origin_pos": 12, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [ { "data": { "image/svg+xml": [ "\n", "\n", "\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " 2023-08-18T07:02:04.731625\n", " image/svg+xml\n", " \n", " \n", " Matplotlib v3.5.1, https://matplotlib.org/\n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", " \n", 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" ] }, "metadata": { "needs_background": "light" }, "output_type": "display_data" } ], "source": [ "d2l.set_figsize()\n", "d2l.plt.scatter(features[:, (1)].detach().numpy(), labels.detach().numpy(), 1);" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "b032f500", "metadata": { "origin_pos": 13 }, "source": [ "## 读取数据集\n", "\n", "回想一下,训练模型时要对数据集进行遍历,每次抽取一小批量样本,并使用它们来更新我们的模型。\n", "由于这个过程是训练机器学习算法的基础,所以有必要定义一个函数,\n", "该函数能打乱数据集中的样本并以小批量方式获取数据。\n", "\n", "在下面的代码中,我们[**定义一个`data_iter`函数,\n", "该函数接收批量大小、特征矩阵和标签向量作为输入,生成大小为`batch_size`的小批量**]。\n", "每个小批量包含一组特征和标签。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 6, "id": "3da34ac6", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.839342Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.838682Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.846329Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.845247Z" }, "origin_pos": 14, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "def data_iter(batch_size, features, labels):\n", " num_examples = len(features)\n", " indices = list(range(num_examples))\n", " # 这些样本是随机读取的,没有特定的顺序\n", " random.shuffle(indices)\n", " for i in range(0, num_examples, batch_size):\n", " batch_indices = torch.tensor(\n", " indices[i: min(i + batch_size, num_examples)])\n", " yield features[batch_indices], labels[batch_indices]" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "52e08a78", "metadata": { "origin_pos": 16 }, "source": [ "通常,我们利用GPU并行运算的优势,处理合理大小的“小批量”。\n", "每个样本都可以并行地进行模型计算,且每个样本损失函数的梯度也可以被并行计算。\n", "GPU可以在处理几百个样本时,所花费的时间不比处理一个样本时多太多。\n", "\n", "我们直观感受一下小批量运算:读取第一个小批量数据样本并打印。\n", "每个批量的特征维度显示批量大小和输入特征数。\n", "同样的,批量的标签形状与`batch_size`相等。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 7, "id": "1dce0726", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.851066Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.850456Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.859860Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.858756Z" }, "origin_pos": 17, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "tensor([[ 0.3934, 2.5705],\n", " [ 0.5849, -0.7124],\n", " [ 0.1008, 0.6947],\n", " [-0.4493, -0.9037],\n", " [ 2.3104, -0.2798],\n", " [-0.0173, -0.2552],\n", " [ 0.1963, -0.5445],\n", " [-1.0580, -0.5180],\n", " [ 0.8417, -1.5547],\n", " [-0.6316, 0.9732]]) \n", " tensor([[-3.7623],\n", " [ 7.7852],\n", " [ 2.0443],\n", " [ 6.3767],\n", " [ 9.7776],\n", " [ 5.0301],\n", " [ 6.4541],\n", " [ 3.8407],\n", " [11.1396],\n", " [-0.3836]])\n" ] } ], "source": [ "batch_size = 10\n", "\n", "for X, y in data_iter(batch_size, features, labels):\n", " print(X, '\\n', y)\n", " break" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "d86e62d7", "metadata": { "origin_pos": 18 }, "source": [ "当我们运行迭代时,我们会连续地获得不同的小批量,直至遍历完整个数据集。\n", "上面实现的迭代对教学来说很好,但它的执行效率很低,可能会在实际问题上陷入麻烦。\n", "例如,它要求我们将所有数据加载到内存中,并执行大量的随机内存访问。\n", "在深度学习框架中实现的内置迭代器效率要高得多,\n", "它可以处理存储在文件中的数据和数据流提供的数据。\n", "\n", "## 初始化模型参数\n", "\n", "[**在我们开始用小批量随机梯度下降优化我们的模型参数之前**],\n", "(**我们需要先有一些参数**)。\n", "在下面的代码中,我们通过从均值为0、标准差为0.01的正态分布中采样随机数来初始化权重,\n", "并将偏置初始化为0。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 8, "id": "12c51289", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.864457Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.863853Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.869983Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.868859Z" }, "origin_pos": 20, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "w = torch.normal(0, 0.01, size=(2,1), requires_grad=True)\n", "b = torch.zeros(1, requires_grad=True)" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "c59d5d68", "metadata": { "origin_pos": 23 }, "source": [ "在初始化参数之后,我们的任务是更新这些参数,直到这些参数足够拟合我们的数据。\n", "每次更新都需要计算损失函数关于模型参数的梯度。\n", "有了这个梯度,我们就可以向减小损失的方向更新每个参数。\n", "因为手动计算梯度很枯燥而且容易出错,所以没有人会手动计算梯度。\n", "我们使用 :numref:`sec_autograd`中引入的自动微分来计算梯度。\n", "\n", "## 定义模型\n", "\n", "接下来,我们必须[**定义模型,将模型的输入和参数同模型的输出关联起来。**]\n", "回想一下,要计算线性模型的输出,\n", "我们只需计算输入特征$\\mathbf{X}$和模型权重$\\mathbf{w}$的矩阵-向量乘法后加上偏置$b$。\n", "注意,上面的$\\mathbf{Xw}$是一个向量,而$b$是一个标量。\n", "回想一下 :numref:`subsec_broadcasting`中描述的广播机制:\n", "当我们用一个向量加一个标量时,标量会被加到向量的每个分量上。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 9, "id": "b8b29b19", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.874642Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.874004Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.879521Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.878471Z" }, "origin_pos": 24, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "def linreg(X, w, b): #@save\n", " \"\"\"线性回归模型\"\"\"\n", " return torch.matmul(X, w) + b" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "6b7765ef", "metadata": { "origin_pos": 25 }, "source": [ "## [**定义损失函数**]\n", "\n", "因为需要计算损失函数的梯度,所以我们应该先定义损失函数。\n", "这里我们使用 :numref:`sec_linear_regression`中描述的平方损失函数。\n", "在实现中,我们需要将真实值`y`的形状转换为和预测值`y_hat`的形状相同。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 10, "id": "3dda15c7", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.884156Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.883559Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.889065Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.887964Z" }, "origin_pos": 26, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "def squared_loss(y_hat, y): #@save\n", " \"\"\"均方损失\"\"\"\n", " return (y_hat - y.reshape(y_hat.shape)) ** 2 / 2" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "56969029", "metadata": { "origin_pos": 27 }, "source": [ "## (**定义优化算法**)\n", "\n", "正如我们在 :numref:`sec_linear_regression`中讨论的,线性回归有解析解。\n", "尽管线性回归有解析解,但本书中的其他模型却没有。\n", "这里我们介绍小批量随机梯度下降。\n", "\n", "在每一步中,使用从数据集中随机抽取的一个小批量,然后根据参数计算损失的梯度。\n", "接下来,朝着减少损失的方向更新我们的参数。\n", "下面的函数实现小批量随机梯度下降更新。\n", "该函数接受模型参数集合、学习速率和批量大小作为输入。每\n", "一步更新的大小由学习速率`lr`决定。\n", "因为我们计算的损失是一个批量样本的总和,所以我们用批量大小(`batch_size`)\n", "来规范化步长,这样步长大小就不会取决于我们对批量大小的选择。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 11, "id": "8f92242d", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.893665Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.892999Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.899100Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.898003Z" }, "origin_pos": 29, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "def sgd(params, lr, batch_size): #@save\n", " \"\"\"小批量随机梯度下降\"\"\"\n", " with torch.no_grad():\n", " for param in params:\n", " param -= lr * param.grad / batch_size\n", " param.grad.zero_()" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "89067f86", "metadata": { "origin_pos": 32 }, "source": [ "## 训练\n", "\n", "现在我们已经准备好了模型训练所有需要的要素,可以实现主要的[**训练过程**]部分了。\n", "理解这段代码至关重要,因为从事深度学习后,\n", "相同的训练过程几乎一遍又一遍地出现。\n", "在每次迭代中,我们读取一小批量训练样本,并通过我们的模型来获得一组预测。\n", "计算完损失后,我们开始反向传播,存储每个参数的梯度。\n", "最后,我们调用优化算法`sgd`来更新模型参数。\n", "\n", "概括一下,我们将执行以下循环:\n", "\n", "* 初始化参数\n", "* 重复以下训练,直到完成\n", " * 计算梯度$\\mathbf{g} \\leftarrow \\partial_{(\\mathbf{w},b)} \\frac{1}{|\\mathcal{B}|} \\sum_{i \\in \\mathcal{B}} l(\\mathbf{x}^{(i)}, y^{(i)}, \\mathbf{w}, b)$\n", " * 更新参数$(\\mathbf{w}, b) \\leftarrow (\\mathbf{w}, b) - \\eta \\mathbf{g}$\n", "\n", "在每个*迭代周期*(epoch)中,我们使用`data_iter`函数遍历整个数据集,\n", "并将训练数据集中所有样本都使用一次(假设样本数能够被批量大小整除)。\n", "这里的迭代周期个数`num_epochs`和学习率`lr`都是超参数,分别设为3和0.03。\n", "设置超参数很棘手,需要通过反复试验进行调整。\n", "我们现在忽略这些细节,以后会在 :numref:`chap_optimization`中详细介绍。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 12, "id": "9163db58", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.903791Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.903216Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:04.908499Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:04.907341Z" }, "origin_pos": 33, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [], "source": [ "lr = 0.03\n", "num_epochs = 3\n", "net = linreg\n", "loss = squared_loss" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 13, "id": "ad5c2cd1", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:04.913061Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:04.912436Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:05.067276Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:05.066107Z" }, "origin_pos": 35, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "epoch 1, loss 0.042790\n", "epoch 2, loss 0.000162\n" ] }, { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "epoch 3, loss 0.000051\n" ] } ], "source": [ "for epoch in range(num_epochs):\n", " for X, y in data_iter(batch_size, features, labels):\n", " l = loss(net(X, w, b), y) # X和y的小批量损失\n", " # 因为l形状是(batch_size,1),而不是一个标量。l中的所有元素被加到一起,\n", " # 并以此计算关于[w,b]的梯度\n", " l.sum().backward()\n", " sgd([w, b], lr, batch_size) # 使用参数的梯度更新参数\n", " with torch.no_grad():\n", " train_l = loss(net(features, w, b), labels)\n", " print(f'epoch {epoch + 1}, loss {float(train_l.mean()):f}')" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "427d8cda", "metadata": { "origin_pos": 38 }, "source": [ "因为我们使用的是自己合成的数据集,所以我们知道真正的参数是什么。\n", "因此,我们可以通过[**比较真实参数和通过训练学到的参数来评估训练的成功程度**]。\n", "事实上,真实参数和通过训练学到的参数确实非常接近。\n" ] }, { "cell_type": "code", "execution_count": 14, "id": "a4c3d525", "metadata": { "execution": { "iopub.execute_input": "2023-08-18T07:02:05.072546Z", "iopub.status.busy": "2023-08-18T07:02:05.071769Z", "iopub.status.idle": "2023-08-18T07:02:05.079203Z", "shell.execute_reply": "2023-08-18T07:02:05.078107Z" }, "origin_pos": 39, "tab": [ "pytorch" ] }, "outputs": [ { "name": "stdout", "output_type": "stream", "text": [ "w的估计误差: tensor([-1.3804e-04, 5.7936e-05], grad_fn=)\n", "b的估计误差: tensor([0.0006], grad_fn=)\n" ] } ], "source": [ "print(f'w的估计误差: {true_w - w.reshape(true_w.shape)}')\n", "print(f'b的估计误差: {true_b - b}')" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "9f3d71ee", "metadata": { "origin_pos": 40 }, "source": [ "注意,我们不应该想当然地认为我们能够完美地求解参数。\n", "在机器学习中,我们通常不太关心恢复真正的参数,而更关心如何高度准确预测参数。\n", "幸运的是,即使是在复杂的优化问题上,随机梯度下降通常也能找到非常好的解。\n", "其中一个原因是,在深度网络中存在许多参数组合能够实现高度精确的预测。\n", "\n", "## 小结\n", "\n", "* 我们学习了深度网络是如何实现和优化的。在这一过程中只使用张量和自动微分,不需要定义层或复杂的优化器。\n", "* 这一节只触及到了表面知识。在下面的部分中,我们将基于刚刚介绍的概念描述其他模型,并学习如何更简洁地实现其他模型。\n", "\n", "## 练习\n", "\n", "1. 如果我们将权重初始化为零,会发生什么。算法仍然有效吗?\n", "1. 假设试图为电压和电流的关系建立一个模型。自动微分可以用来学习模型的参数吗?\n", "1. 能基于[普朗克定律](https://en.wikipedia.org/wiki/Planck%27s_law)使用光谱能量密度来确定物体的温度吗?\n", "1. 计算二阶导数时可能会遇到什么问题?这些问题可以如何解决?\n", "1. 为什么在`squared_loss`函数中需要使用`reshape`函数?\n", "1. 尝试使用不同的学习率,观察损失函数值下降的快慢。\n", "1. 如果样本个数不能被批量大小整除,`data_iter`函数的行为会有什么变化?\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "193224b1", "metadata": { "origin_pos": 42, "tab": [ "pytorch" ] }, "source": [ "[Discussions](https://discuss.d2l.ai/t/1778)\n" ] } ], "metadata": { "language_info": { "name": "python" }, "required_libs": [] }, "nbformat": 4, "nbformat_minor": 5 }