《深度学习与Pytorch入门实战》2019

《深度学习与Pytorch入门实战》2019

其他

https://www.cnblogs.com/taosiyu/category/1538754.html

1-深度学习框架简介

• pytorch动态图：

一步一步给定数据计算，随时查看每一步数据，较符合人的思维逻辑。

TensorFlow静态图：

先define定义阶段，再run，函数给出xy的值及输出。

2-

3-开发环境安装

右键，管理员身份运行

4、5-简单回归问题

• 梯度下降算法

loss=x^2*sinx

新的x： x'=x-learning rate*y'(x)

因为有误差，在理论的最优解（x=5）附近有一定程度的抖动

learning rate设成0.05以后，步长变大，波动程度较大，效果不好

learning rate一般设定为0.001，简单的可以设成0.01等等

y=w*x+b+∈

噪声 ∈~N(0.01,1)

min loss=∑_i〖(w*x_i+b-y_i)〗^2

w^'*x+b'→y

6-回归问题实战

points是一系列x、y的数据点。如下图红点

• 求loss：

python range()函数可创建一个整数列表：
range(start, stop[, step])
start：计数从 start 开始。默认从 0 开始。
stop：计数到 stop 结束，但不包括 stop。
step：步长，默认为1。

• 求梯度信息w、b：

11、12行的m应改为w

除以N是为了累加后的求average。

• 迭代优化：

7-8-分类问题引入

• ReLU：线性整流函数，又称修正线性单元，是一种非线性函数。

最大值0.8所在的索引为1

label为1的概率为0.8

argmax也就是label

9-13-手写数字识别初体验

14-15-张量数据类型

• 没有内建String支持，必须使用编码的方式：

1.one-hot code：如[0100000]

无法体现单词间的相关性，如like dislike

2.embedding：如Word2vec、glove

ByteTensor，判断两Tensor元素是否相等，返回0或1

部署在CPU GPU上是不一样的

x.cuda会返回一个GPU上的引用

• 三种Tensor类型的判断方法

随机初始化一个两行三列的二维的Tensor，randn随机正态分布的数中选取

第一种打印出具体数据类型；第三种判断是否是某种类型，是返回true

• 标量 Dimension=0

1.3是0维，但[1.3]是1维长度为1的Tensor

获取标量的shape

len(a.dim)也会返回0

• Dim=1的张量/向量

.tensor接受的是数据的内容，后接现有的数据

.FloatTensor接受的是数据的shape，也可接受现有的数据但容易混淆故不推荐。第7行给定向量的长度为1，8行随机初始化一个数值。

13行从numpy引入，规定长度为2。生成[1.,1.]（16行）

18行使用form_numpy方法从data里引入，显示数据一样，但类型变成FloatTensor

应用：Bias偏置；Linear Input神经网络线性层的输入

• Dim=2的张量

获取shape（size）：

区分：

dim：2
size/shape：[2，2]
tensor：[1 2]
        [3 4]

a.size不给参数返回第9行

应用：带有batch的Linear Input

• Dim=3的张量

.rand [0,1)随机的均匀分布中的数据来初始化

第一个维度是1，所以第5行在一个总的括号[]内；第二个维度是2，所以第二个[]内两个元素；…

应用：带有batch的RNN Input

• Dim=4

可用于表示图片

图中第一个维度2，表示照片数b为2；第二个维度3，灰度图的通道数channel为1，彩色图通道数为3；第三四个维度18是MNIST数据集的长h和宽w。

munel指tensor占用内存的数量

16-17-创建tensor

• 从numpy引入

通过numoy创建一个dim=1，长度为2的向量

从numpy导入的float其实是double类型

• 通过list方法导入

• 生成未初始化的数据

·torch.enpyt()

·torch.FloatTensor(d1,d2,d3)
NOT torch.FloatTensor([1,2])=torch.tensor([1,2])

·torch.IntTensor(d1,d2,d3)

未初始化的tensor一定要跟写入数据的后续步骤

第二行的0是随机出来的巧合

pytorch里.tensor默认类型是FloatTensor，torch.set_default_tensor_type()可修改默认类型（第四行）

增强学习里一般使用double，其他一般使用float

• 随机初始化

重叠部分为[3.3])

rand随机产生0-1之间的数值，不包括1。也就是[0,1)均匀分布

rand_like()接受的参数不再是shape，而是tensor

randint(min,max,[维度,…])采样[min,max)间的整数值

均匀采样0-10的tensor要用x=10*torch.rand(d1,d2)

randn，初始化时的随机数服从正态分布，最常见的是N(0,1)

torch.normal(means, std, out=None)返回一个张量，包含从给定参数means为均值,std为标准差的离散正态分布中抽取随机数。out为可选的输出张量。

torch.full([],?)依size生成值均为?的元素的张量。size：张量的形状，如[3,3]、[10]。图中为生成10个0：[0,0,0,…,0]

torch.arange(start,end,step)start：数列起始值，end：数列“结束值”（取不到），step：数列公差，默认为1。图中为[1,0.9,0.8,……,0.1]

例94生成Dim=0的标量，95生成Dim=1，长度为1的张量

例98方法不建议

torch.linspace(start, end, steps=?)线性等分向量。start：开始值，end：结束值（能取到），steps：在start和end间生成的样本数，默认是100。

torch.logspace(start, end, steps=100)返回一个1维张量，包含在区间10^(start)和10(end)（能取到）上以对数刻度均匀间隔的 steps个点。

torch.ones(size)返回一个全为1的张量，形状由可变参数sizes定义

torch.zeros(size)返回一个全为标量0的张量，形状由可变参数sizes定义

torch.eye(n, m)返回一个2维张量，对角线为1,其它位置为0。n-行数；m-列数，默认为n

torch.randperm(n)返回一个从0到n-1的随机整数排列

用同一个索引来做shuffle，比如a为人名+数学成绩，b为人名+语文成绩，索引要对应起来。

4-7是为了演示得到了不同的idx，第9、14行的idx必须保持一致

18-19-索引与切片

a[0]，取第=张图片，包含3个通道，长宽各为28。

a[0,0,2,4]，第0张图片，第0个通道，第2行第4列的像素点

start:end:step

:2可理解为→2，从最开始（第0张）的图片到第二张图片（不包含第二张）。不写数字默认取全部。

例143中，1:表示从第一个通道开始取到最末尾，也就是G、B两通道

例144中，反向索引，-1:也就是最后一个元素开始取，也就是B通道

0:28:2隔行采样，对序号0至序号28（取不到）进行间隔采样，每隔2采一次，也就是采序号为0，2，4，6，...，26的元素，共14个

0:28:等同于0:28:1

第4行：a.index_select(0,torch.tensor([0,2])).shape

第5行：[2,3,28,28]

index_select(dim,index)dim：表示从第几维挑选数据；index：表示从第一个参数维度中的哪个位置挑选数据，类型为torch.Tensor类的实例

第7行：a.index_select(1,torch.tensor([1,2])).shape

第8行：[4,2,28,28]

...表示任意多的维度

.gt() #greater than（大于）
.ge() #greater and equal（大于等于）
.eq() #equal（等于）
.le() #less and equal（小于等于）
.lt() #less than（小于）

第6行，大于等于0.5的数置为1，否则置为0

torch.masked_select(input, mask)。input输入张量，mask掩码张量。mask须跟input有相同数量的元素数目，但形状或维度不需要相同。

In[39]: src = torch.tensor([[4,3,5],[6,7,8]])		# 先打平成1维的，共6列
In[40]: src
Out[40]: 
tensor([[4, 3, 5],
        [6, 7, 8]])
In[41]: torch.take(src, torch.tensor([0, 2, 5]))	# 取打平后编码，位置为0 2 5
Out[41]: tensor([4, 5, 8])

torch.take(src, torch.tensor([index]))打平后，按照index来取对应位置的元素

20-23-维度变换

tensor的维度变化改变的是数据的理解方式

.view()/.reshape()：返回的数据和传入的tensor一样的条件下，转变shape

第4行：(4,12828)将通道、长宽合并，忽略了通道信息、上下左右的空间信息。适合全连接层。

保证tensor的size不变即可/numel()一致/元素个数不变。

view操作必须满足物理意义，否则会导致数据的被污染与破坏

第16行：合并batch、channel、行，放在一起为N，[N,28]，每个N，刚好有28个像素点，只关心一行数据

第19行：4张叠起来了

损失维度信息，如果不额外存储维度顺序的话，恢复时会出现问题。如22-24行的逻辑混乱。

view的新的size（783）与原来（784）不一致会报错

squeeze/unsqueeze：减少/增加维度

unsqueeze(index) 拉伸（增加一个维度/一个组，而非一个数据，还是4张图片，可以理解为增加了一个组，组里有原来的四张图片）

参数的范围是 [-a.dim()-1, a.dim()+1) 如图中例子中范围是[-5,5)

-5→0,…,-1→4 这样的话，0表示在前面插入，-1表示在后面插入，正负会有些混乱，所以推荐用正数。

[	4	1	28	28	]
	1	2	3	4
-5	-4	-3	-2	-1

0与正数，就是在第X个维度前面插入，负数在某个维度后面插入

In[24]: a = torch.tensor([1.2,2.3])  # 维度为[2]

In[27]: a.shape
Out[27]: torch.Size([2])

In[25]: a.unsqueeze(-1)  # -1，后面增加维度，维度变成[2,1]  2行1列
Out[25]: 
tensor([[1.2000],
        [2.3000]])

In[26]: a.unsqueeze(0)
Out[26]: tensor([[1.2000, 2.3000]]) # 0，前面增加维度，维度变成[1,2]  1行2列

• 实例

给一个bias（偏置），bias相当于给每个channel上的所有像素增加一个偏置

为了做到 f+b 我们需要改变b的维度

squeeze(index)当index对应的dim为1，才产生作用。例64中第1个维度32≠1，不能挤压。

不写参数，会挤压所有维度为1的。例61将所有维度为1的进行挤压，理解：一张图片，有32个channel，每个channel有一个点（值）

expand/repeat：维度扩展

Expand：broadcasting（推荐），只是改变了理解方式，并没有增加数据。只在需要的时候复制数据，不会主动复制。速度快节约内存。

Reapeat：memory copied，会实实在在的增加数据

以上面提到的实例为例， b[1,32,1,1]与f[4,32,14,14]，目标是将b的维度变成与f相同的维度（1→4,1→14,1→14）。

• 扩展（expand）张量不会分配新的内存，只是在存在的张量上创建一个新的视图（view）

In[44]: a = torch.rand(4,32,14,14)
In[45]: b.shape
Out[45]: torch.Size([1, 32, 1, 1])  # 只有1→N才是可行的， 3→N需要另起规则
In[46]: b.expand(4,32,14,14).shape
Out[46]: torch.Size([4, 32, 14, 14])
In[47]: b.expand(-1,32,-1,-1).shape	# -1表示这个维度不变
Out[47]: torch.Size([1, 32, 1, 1])
In[48]: b.expand(-1,32,-1,-4).shape	# -4这里是一个bug，没有意义，最新版已经修复了
Out[48]: torch.Size([1, 32, 1, -4])

• repeat：

主动复制原来的。

参数表示的是要拷贝的次数/是原来维度的倍数

沿着特定的维度重复这个张量，和expand()不同的是，这个函数拷贝张量的数据。

t/transpose/permute：转置，单次/多次交换

• .t

a = torch.randn(3,4)

a.t().shape
Out[58]: torch.Size([4, 3])

In[60]: a
Out[60]: 
tensor([[ 0.5629, -0.5085, -0.3371,  1.2387],
        [ 0.2142, -1.7846,  0.2297,  1.7797],
        [-0.3197,  0.6116,  0.3791,  0.9218]])

In[61]: a.t()
Out[61]: 
tensor([[ 0.5629,  0.2142, -0.3197],
        [-0.5085, -1.7846,  0.6116],
        [-0.3371,  0.2297,  0.3791],
        [ 1.2387,  1.7797,  0.9218]])

b.t()
RuntimeError: t() expects a tensor with <= 2 dimensions, but self is 4D

.t 只针对2维矩阵

• transpose

在结合view使用的时候，view会导致维度顺序关系变模糊，所以需要人为跟踪。

错误的顺序，会导致数据污染

一次只能两两交换

In[8]: a = torch.randn(4,3,32,32)

In[9]: a.shape
Out[9]: torch.Size([4, 3, 32, 32])

In[10]: a1 = a.transpose(1,3).contiguous().view(4,3*32*32).view(4,3,32,32)
# 由于交换了1、3维度，就会变得不连续，所以需要用contiguous，来把数据变得连续。
# [b c h w]交换1、3维度的数据变成[b w h c]，再把后面的三个连在一起，展开后变为[b c w h]，导致和原来的顺序不同，造成数据污染

In[11]: a1.shape
Out[11]: torch.Size([4, 3, 32, 32])

In[12]: a2 = a.transpose(1,3).contiguous().view(4,3*32*32).view(4,32,32,3).transpose(1,3)
# [b c h w] -> [b w h c] -> [b w h c] -> [b c h w] 和原来顺序相同。

In[13]: a2.shape
Out[13]: torch.Size([4, 3, 32, 32])

# 验证向量一致性
In[14]: torch.all(torch.eq(a,a1)) # 使用.eq函数比较数据是否一致，.all函数保证每一处数据都一致
Out[14]: tensor(0, dtype=torch.uint8)

In[15]: torch.all(torch.eq(a,a2))
Out[15]: tensor(1, dtype=torch.uint8)

tensor.all()功能: 如果张量tensor中所有元素都是True, 才返回True; 否则返回False

torch.all() 判断每个位置是否存在为0的元素

In[21]: torch.all(torch.ByteTensor([1,1,1,1]))
Out[21]: tensor(1, dtype=torch.uint8)

In[22]: torch.all(torch.ByteTensor([1,1,1,0]))
Out[22]: tensor(0, dtype=torch.uint8)

tensor.any()功能: 如果张量tensor中存在一个元素为True, 那么返回True; 只有所有元素都是False时才返回False

• permute

permute会打乱内存顺序，也需要contiguous

In[18]: a = torch.rand(4,3,28,28)

In[19]: a.transpose(1,3).shape
# [b c h w] → [b w h c]， h与w的顺序发生了变换，导致图像发生了变化
Out[19]: torch.Size([4, 28, 28, 3]) 

In[20]: b = torch.rand(4,3,28,32)

In[21]: b.transpose(1,3).shape
Out[21]: torch.Size([4, 32, 28, 3])

In[22]: b.transpose(1,3).transpose(1,2).shape
Out[22]: torch.Size([4, 28, 32, 3])
# [b,h,w,c]是numpy存储图片的格式，需要这一步才能导出numpy

In[23]: b.permute(0,2,3,1).shape
Out[23]: torch.Size([4, 28, 32, 3])

24-26-broadcast

• 自动扩展：

维度扩展，自动调用expand

without copying data ，不需要拷贝数据。

• 实施

从最小的维度开始匹配，前面没有维度的话，在前面插入一个维度；然后将size 1扩展成相同size的维度

例子：对于 feature maps : [4, 32, 14, 14]，想给它添加一个偏置Bias

Bias:[32] –> [32, 1 , 1] (手动插入两个维度以满足broadcast的条件) => [1, 32, 1, 1] => [4, 32, 14, 14]

目标：当Bias和feature maps的size一样时，才能执行叠加操作

• Broadcast的原因

broadcast = unsqueze（插入新维度） + expand（将1dim变成相同维度）

• 实例

有这样的数据 [class, students, scores]，具体是4个班，每个班32人，每人8门课程[4, 32, 8] 。

考试不理想，对于这组数据我们需要为每一位同学的成绩加5分

要求： [4, 32, 8] + [4, 32, 8]

实际上：[4, 32, 8] + [5.0]

操作上：[1] =>(unsqueeze) [1, 1, 1] =>(expand_as) [4, 32, 8]，这样需要写3个接口。所以需要broadcast

内存：

[4, 32, 8] => 1024

[5.0] => 1 如果是手动复制的话，内存消耗将变为原来的1024倍

• 使用条件

A [ 大维度 —> 小维度 ]

从最后一位（最小维度）开始匹配，如果维度上的size是0，1或相同，则满足条件，看下一个维度，直到都满足条件为止。

如果当前维度是1，扩张到相同维度

如果没有维度，插入一个维度并扩张到相同维度

当最小维度不匹配的时候没法使用broadcastiong，如共有8门课程，但只给了4门课程的变化，这样就会产生歧义。

小维度指定，大维度随意

小维度指定：假如英语考难了，只加英语成绩 [0 0 5 0 0 0 0 0]

• 具体案例分析

size一样，不需要扩展，只扩张到相同维度即可

先增加维度，再扩张

B只给了两张照片的参数，不符合要求

• 使用

A [4, 3, 32, 32] b,c,h,w

+[32, 32] 叠加一个相同的feature map，做一些平移变换。相当于一个base（基底），

+[3, 1, 1] 针对 RGB 进行不同的补充，如R 0.5 、G 0 、B 0.3

+[1, 1, 1, 1] 对于所有的都加一个数值，抬高一下，如加0.5.

27-28-合并与分割

numpy中使用concat，在pytorch中使用更加简写的cat

完成一个拼接

两个向量维度相同，想要拼接的维度上的值可以不同，但是其它维度上的值必须相同。

例子：将两班级的成绩合并起来

a[class 1-4, students, scores]

b[class 5-9, students, scores]

In[4]: a = torch.rand(4,32,8)

In[5]: b = torch.rand(5,32,8)

In[6]: torch.cat([a,b],dim=0).shape
# 将a,b在第0个维度进行合并
Out[6]: torch.Size([9, 32, 8])
# 结果就是9个班级的成绩

行拼接：[4, 4] 与 [5, 4] 以 dim=0（行）进行拼接 —> [9, 4] 9个班的成绩合起来

列拼接：[4, 5] 与 [4, 3] 以 dim=1（列）进行拼接 —> [4, 8] 每个班合成8项成绩

例2：

In[7]: a1 = torch.rand(4,3,32,32)

In[8]: a2 = torch.rand(5,3,32,32)

In[9]: torch.cat([a1,a2],dim=0).shape		# 合并第1维 理解上相当于合并batch
Out[9]: torch.Size([9, 3, 32, 32])

In[11]: a2 = torch.rand(4,1,32,32)

In[12]: torch.cat([a1,a2],dim=1).shape		# 合并第2维 理解上相当每张图片有rgbα四个通道
Out[12]: torch.Size([4, 4, 32, 32])

In[13]: a1 = torch.rand(4,3,16,32)

In[14]: a2 = torch.rand(4,3,16,32)

In[15]: torch.cat([a1,a2],dim=3).shape		# 合并第3维 理解上相当于合并照片的上下两半
Out[15]: torch.Size([4, 3, 16, 64])

In[17]: a1 = torch.rand(4,3,32,32)

In[18]: torch.cat([a1,a2],dim=0).shape
RuntimeError: invalid argument 0: Sizes of tensors must match except in dimension 0.

• stack

创造一个新的维度（代表了新的组别）

要求两个tensor的size完全相同

In[19]: a1 = torch.rand(4,3,16,32)
In[20]: a2 = torch.rand(4,3,16,32) 

In[21]: torch.cat([a1,a2],dim=2).shape		# 合并照片的上下部分
Out[21]: torch.Size([4, 3, 32, 32])

In[22]: torch.stack([a1,a2],dim=2).shape	# 添加了一个维度 一个值代表上半部分，一个值代表下半部分。 这显然是没有cat合适的。
Out[22]: torch.Size([4, 3, 2, 16, 32])

In[23]: a = torch.rand(32,8)
In[24]: b = torch.rand(32,8)

In[25]: torch.stack([a,b],dim=0).shape		# 将两个班级的学生成绩合并，添加一个新的维度，这个维度的每个值代表一个班级。显然是比cat合适的。
Out[25]: torch.Size([2, 32, 8])

In[26]: a.shape
Out[26]: torch.Size([32, 8])

In[27]: b = torch.rand([30,8])

In[28]: torch.stack([a,b],dim=0)
RuntimeError: invalid argument 0: Sizes of tensors must match except in dimension 0

• split

按长度进行拆分：单元长度/数量

长度相同给一个固定值，长度不同给一个列表

In[48]: a = torch.rand(32,8)
In[49]: b = torch.rand(32,8)
In[50]: c = torch.rand(32,8)
In[51]: d = torch.rand(32,8)
In[52]: e = torch.rand(32,8)
In[53]: f = torch.rand(32,8)

In[54]: s = torch.stack([a,b,c,d,e,f],dim=0)
In[55]: s.shape
Out[55]: torch.Size([6, 32, 8])  

In[57]: aa,bb = s.split(3,dim=0)	# 按数量切分，可以使用一个常数
In[58]: aa.shape, bb.shape
Out[58]: (torch.Size([3, 32, 8]), torch.Size([3, 32, 8]))

In[59]: cc,dd,ee = s.split([3,2,1],dim=0)	# 按单位长度切分，可以使用一个列表
In[60]: cc.shape, dd.shape, ee.shape
Out[60]: (torch.Size([3, 32, 8]), torch.Size([2, 32, 8]), torch.Size([1, 32, 8]))

In[61]: ff,gg = s.split(6,dim=0)	# 只能拆成一个，返回一个tensor，不能用两个tensor接收
ValueError: not enough values to unpack (expected 2, got 1)

• chunk

按数量进行拆分

chunk中的参数是要切成几份；split的常数是每份有几个

In[63]: s.shape
Out[63]: torch.Size([6, 32, 8])

In[64]: aa,bb = s.chunk(2,dim=0)
In[65]: aa.shape, bb.shape
Out[65]: (torch.Size([3, 32, 8]), torch.Size([3, 32, 8]))

In[66]: cc,dd = s.split(3,dim=0)
In[67]: cc.shape,dd.shape
Out[67]: (torch.Size([3, 32, 8]), torch.Size([3, 32, 8]))

29-30-数学运算

• 基础运算

可以使用 + - * / （推荐），也可以使用 torch.add, mul, sub, div

b：使用broadcast [4] → [3,4]

//二斜线表示整除

• matmul

matmul 表示 matrix mul，矩阵乘法

*表示的是element-wise，按元素一个一个操作, 是两个同样维度的向量/矩阵每一个元素分别相乘

torch.mm(a,b) 只能计算2D 不推荐

torch.matmul(a,b) 可以计算更高维度，落脚点依旧在行与列。 推荐

@是matmul的重载形式

实例：神经网络中线性层的相加

线性层的计算 ： x @ w.t() + b

x是4张照片且已经打平了 (4, 784)

我们希望 (4, 784) —> (4, 512)

这样的话w因该是 (784, 512)

但由于pytorch默认 第一个维度是 channel-out（目标），第二个维度是 channel-in （输入），所以需要用一个转置

.t() 只适合2D，高维用transpose

• 2维以上的matmul

对于2维以上的matrix multiply ， torch.mm(a,b)就不行了。

运算规则：只取最后的两维做矩阵乘法

对于 [b, c, h, w] 来说，b,c 是不变的，图片的大小在改变；并且也并行的计算出了b，c。也就是支持多个矩阵并行相乘。

对于不同的size（例33），如果符合broadcast，先执行broadcast，在进行矩阵相乘。

• power

pow(a, n)：a的n次方

** 也表示次方（可以是2，0.5，0.25，3），推荐

sqrt() 表示 square root 平方根

rsqrt() 表示平方根的倒数

• exp log

exp(n) 表示：e的n次方

log(a) 表示：ln(a)

log2() 、 log10()

In[22]: torch.log2(a)
Out[22]: 
tensor([[1.4427, 1.4427],
        [1.4427, 1.4427]])

In[23]: torch.log10(a)
Out[23]: 
tensor([[0.4343, 0.4343],
        [0.4343, 0.4343]])

• approximation

不太常用

floor、ceil 向下取整、向上取整

round 4舍5入

trunc、frac 裁剪

• clamp

gradient clipping 梯度裁剪

(min) 限定最小值，小于min的都变为min

(min, max) 大于这个区间的都变为max，小于的都变为min

梯度爆炸：一般来说，当梯度达到100左右的时候，就已经很大了，正常在10左右，通过打印梯度的模来查看 w.grad.norm(2)

对于w的限制叫做weight clipping，对于weight gradient clipping称为 gradient clipping。

31-32-属性统计

• norm

norm指的是范数，并不是normalize。normalize是归一化，例如 batch_norm。

向量的范数，就是表示这个原有集合的大小。

矩阵的范数，就是表示这个变化过程的大小的一个度量。

总结起来一句话，范数(norm)，是具有“长度”概念的函数。

norm(1, 一范数，所有元素的绝对值之和

norm(2, 二范数，所有元素的平方和并开根号

不加dim参数，默认所有维度

从shape出发，加入dim后，这个dim就会消失（做Norm）

In[3]: a = torch.full([8],1)
In[4]: b = a.view(2,4)
In[5]: c = a.view(2,2,2)

In[6]: b
Out[6]: 
tensor([[1., 1., 1., 1.],
        [1., 1., 1., 1.]])

In[7]: c
Out[7]: 
tensor([[[1., 1.],
         [1., 1.]],

        [[1., 1.],
         [1., 1.]]])

In[8]: a.norm(1), b.norm(1), c.norm(1)
Out[8]: (tensor(8.), tensor(8.), tensor(8.)) # 一范数是所有元素绝对值的求和，八个1所以一范数是8

In[9]: a.norm(2), b.norm(2), c.norm(2)
Out[9]: (tensor(2.8284), tensor(2.8284), tensor(2.8284))

In[10]: b.norm(1,dim=1)    # 一范数，[1., 1., 1., 1.]→4.，[1., 1., 1., 1.]→4.
Out[10]: tensor([4., 4.])	# 就shape来讲 [2,4] norm之后 --> [2]

In[16]: b.norm(1,dim=0)
Out[16]: tensor([2., 2., 2., 2.])	# shape [2,4]  ---> [4]

In[11]: b.norm(2,dim=1)
Out[11]: tensor([2., 2.])

In[12]: c.norm(1,dim=0)	   # [2,2,2]，在0维度做求1范数，那么这个维度就将消掉，得到shape为[2,2]
Out[12]: 
tensor([[2., 2.],
        [2., 2.]])

In[14]: c.norm(2,dim=0)		
Out[14]: 
tensor([[1.4142, 1.4142],
        [1.4142, 1.4142]])

• mean,sum,min,max,prod

max() 求最大的值

min() 求最小的值

mean() 求平均值 mean = sum / size

prod() 累乘

sum() 求和

argmax() 返回最大值元素的索引

argmin() 返回最大值元素的索引

argmax(dim=l) 求l维中，最大元素的位置，这样的话这一维将消失。

以上这些，如果不加参数，会先打平，在计算，所以对于 argmax 和 argmin来说得到的是打平后的索引。

例158，dim=1，获取4张照片预测值最大的位置，这个位置决定了它是数字几

• keepdim

使用max(dim=) 函数配上dim参数，可以很好的返回最大值与该值的位置

argmax 其实是 max 的一部分（位置）

keepdim=True 设置这个参数后，维度得以保留，与原来的维度是一样的。

• top-k / k-th

  • topk

由于max只能找出一个最大，如果想找最大的几个就做不到了。

topk(k, 比max提供更多的信息，适用于特定的场合。

topk(k, 指的是返回概率最大的的 k 组数据以及位置

largest=False 求概率最小的 k 组

例如：对于一张照片，他的概率是[0.2, 0.3, 0.1, 0.2, 0.1, 0.1]，使用topk(3) 会得到概率最大的三个数[0.3, 0.2, 0.2] 以及位置[1, 0, 3]

In[33]: a
Out[33]: 
tensor([[ 0.0234,  0.6830, -0.1518,  0.4595, -1.5634,  0.5534,  0.9934, -1.1536,
          0.3124, -1.4103],
        [ 0.6339,  1.5724,  0.2552,  1.0917, -1.4003,  0.5165,  0.8891, -2.0315,
          0.4666,  1.4355],
        [ 1.6149,  0.2364,  0.3789, -0.3974, -0.1433,  0.9235,  0.6730,  0.3575,
          2.0742,  0.8954],
        [-0.1019,  1.6405, -1.3493,  0.5554, -0.0533,  0.0450,  0.2018, -0.1688,
         -1.2579, -0.7906]])
In[34]: 
In[34]: a.topk(3,dim=1)
Out[34]: 
torch.return_types.topk(
values=tensor([[0.9934, 0.6830, 0.5534],	# 返回概率最大的前3个
        [1.5724, 1.4355, 1.0917],
        [2.0742, 1.6149, 0.9235],
        [1.6405, 0.5554, 0.2018]]),
    	# shape的话 从[4, 10]   --->  [4,3]
indices=tensor([[6, 1, 5],	# 最可能是6，1次之，5次之
        [1, 9, 3],
        [8, 0, 5],
        [1, 3, 6]]))

In[35]: a.topk(3,dim=1,largest=False)
Out[35]: 
torch.return_types.topk(
values=tensor([[-1.5634, -1.4103, -1.1536],
        [-2.0315, -1.4003,  0.2552],
        [-0.3974, -0.1433,  0.2364],
        [-1.3493, -1.2579, -0.7906]]),
indices=tensor([[4, 9, 7],	# 最不可能是4，9次之，7次之
        [7, 4, 2],

• kthvalue

kthvalue(i, dim=j) 求 j 维上，第 i 小的元素以及位置。dim默认为1。

keepdim=True 会保持维度

In[36]: a.kthvalue(8,dim=1)	# 求1维，第8小
Out[36]: 
torch.return_types.kthvalue(
values=tensor([0.5534, 1.0917, 0.9235, 0.2018]),
indices=tensor([5, 3, 5, 6]))

In[37]: a.kthvalue(3)
Out[37]: 
torch.return_types.kthvalue(
values=tensor([-1.1536,  0.2552,  0.2364, -0.7906]),
indices=tensor([7, 2, 1, 9]))

In[38]: a.kthvalue(3,dim=1)
Out[38]: 
torch.return_types.kthvalue(
values=tensor([-1.1536,  0.2552,  0.2364, -0.7906]),
indices=tensor([7, 2, 1, 9]))

• compare

, >=, <, <=, !=, ==

进行比较后，返回的是一个 bytetensor，不再是floattensor，由于pytorch中所有的类型都是数值，没有True or False ，为了表达使用整型的1或0

torch.eq(a,b) 判断每一个元素是否相等，返回 bytetensor

torch.equal(a,b) 返回True或False

numpy与pytorch比较操作的方法，还是推荐 符号 > < ..

Numpy	PyTorch
np.less	x.lt
np.less_equal	x.le
np.less_equal	x.le
np.less_equal	x.le
np.equal	x.eq
np.not_equal	x.ne

33-高阶操作

• where

torch.where(condition, x, y) → Tensor

针对于x而言，如果其中的每个元素都满足condition，就返回x的值；如果不满足condition，就将y对应位置的元素或者y的值替换x的值，最后返回结果。

• gather

torch.gather(input, dim, index, out=None) → Tensor

沿给定轴 dim ,将输入索引张量 index 指定位置的值进行聚合.

input (Tensor) – 源张量

dim (int) – 索引的轴

index (LongTensor) – 聚合元素的下标(index需要是torch.longTensor类型)

out (Tensor, optional) – 目标张量

对一个 3 维张量,输出可以定义为:

out[i][j][k] = input[index[i][j][k]][j][k]  # if dim == 0
out[i][j][k] = input[i][index[i][j][k]][k]  # if dim == 1
out[i][j][k] = input[i][j][index[i][j][k]]  # if dim == 2

a = torch.Tensor([[1,2],
                 [3,4]])

b = torch.gather(a,1,torch.LongTensor([[0,0],[1,0]]))
#1. 取各个元素行号：[(0,y)(0,y)][(1,y)(1,y)]
#2. 取各个元素值做y：[(0,0)(0,0)][(1,1)(1,0)]
#3. 根据得到的索引在输入中取值
#[1,1],[4,3]

c = torch.gather(a,0,torch.LongTensor([[0,0],[1,0]]))
#1. 取各个元素列号：[(x,0)(x,1)][(x,0)(x,1)]
#2. 取各个元素值做x：[(0,0)(0,1)][(1,0)(0,1)]
#3. 根据得到的索引在输入中取值
#[1,2],[3,2]

（0,7）（0,4）（0,9）
（1,7）（1,4）（1,9）
（2,8）（2,1）（2,3）
（3,8）（3,6）（3,9）

34-35-什么是梯度

寻找全局极小值时的影响因素：

初始化

learning rate（小一点）

动量（惯性，冲出局部极小）

36-常见函数的梯度

导数：给定一个方向；梯度：所有方向的综合。对于一维函数只有一个方向，所以两者基本是一个东西。

y=xw+b x作为神经网络的输入。wb为神经网络的参数，是要优化的目标

y=x w^2+b2

y=x e^w+eb

[y-(xw+b)]^2 可理解为线性感知器的输出与真实的label（y）间的均方差

y log(x w+b)

37-40-激活函数与Loss的梯度

激活函数：

输入小于某个值时没有输出，大于某个值时给出一个固定的响应（青蛙实验）

• Sigmoid函数

常被用作神经网络的激活函数，将变量映射到0-1之间。

求导：

torch.sigmoid

• Tanh

• Rectified Linear Unit 整形的线性单元 ReLU

极大减少了梯度离散与梯度爆炸的情况

• typical loss

mean squared Error 均方误差MSE

y减去y的预测值的平方和

cross entropy loss 可用于二分类也可用于多分类，通常与softmax激活函数搭配使用

• MSE

torch.norm(y-pred,2).pow(2)

梯度求解：

使用pytorch自动求导：

mse_loss(input,label)

input：预测值；label：目标值。维度为 [N1,N2,...,Nk,D] 的多维Tensor，其中最后一维D是类别数目。数据类型为float32或float64。

例21出错因为w没有标注需要求导信息

requests_grad:是否求导.默认为False，可以新建W时就加上requests_grad=true，或者后面使用requests_grad_()。

23还出错因为pytorch是动态图，做一步计算一步，图还没有更新。所以要用24把图重新计算，更新一遍

.backward() 从后往前传播

• gradient API

• softmax

变成取值0-1，概率和为1.大的会较大，小的会压缩（大小差距变大）

求导：

i=j

i≠j

所以ij相等时候是正的，不等为负

F.softmax

例39 p[1]，δP1/δai 所以i=1时的0.2274是正的； 例40 p[2]所以0.2425是正的 其他梯度是负的

41-42-感知器的梯度推导

• 单层感知器

最终的loss对某层结点的求导公式：

输出只有一个，所以只有O0，没有O1O2……

跟神经元输出结点O及与其对应的j号结点的输入xj有关

• 多输出感知器

43-链式法则

针对神经网络的具体实例：

输入，经过一个隐藏层（橙色），再经过一个输出层（绿色），最后计算一个最终的loss。字母上标表示层数，下标表示编号

44-45-反向传播算法

• 多层感知器

46-优化问题实战

2D函数优化实例：

四个解都是全局最小解（因为一样大小）

numpy.meshgrid()——生成网格点坐标矩阵

使用随机梯度下降方法求解：

找到的是（3,2）这个局部极小值

初始化值改为4：

找到了另外的局部极小值

47-Logistic Regression逻辑回归

二分类问题：

大于0.5判断为1，小于0.5判断为0

多分类问题：

大的变的更大，小的聚集：

2,1→0.7,0.2 原来大两倍，现在大3.5倍

48-49-交叉熵

• entropy

不确定性 惊喜度

• cross entropy

OKL：KL Divergence散度，衡量两个分布的距离的关系

两个分布越相似DKL越接近于0

P=Q时，DKL=0，H（p,q）=H（p）

对于01encoding，H（p）=0

二分类：

具体实例：

P为真实的分布，第一张图是狗。Q是Pθ，是模型的分布

理想情况：

对于分类问题为什么不使用MSE

用sigmoid搭配MSE很容易出现sigmoid饱和的现象，会出现梯度离散；

cross entropy梯度概率信息更大，收敛得更快

但由于MSE梯度求导更简单，所以有时候可以一试

小结：

50-多分类问题实战

十层 代表十分类

网络tensor定义和forward过程：

新建三个线性层

第一层，输入784，可以想象成28×28，也就是784降维成200的过程。w1b1都需要梯度信息

第二层，隐藏层，没有降维过程，不代表没有作用/功能，比如特征提取

第三层，因为十分类所以最后输出结点应为10个

经过relu后得到logits，没有经过sigmoid或softmax的称为logits

最后的F.relu也可以不用

train：

定义一个优化器

发现loss长时间得不到更新，出现梯度离散，说明梯度信息接近于0

加上hekaiming初始化的代码

只对w初始化，因为b已经初始化为0了

发现改善

全连接层

• nn.Linear

nn.Linear(in_features，out_features)是用于设置网络中的全连接层的，全连接层的输入与输出都是二维张量，一般形状为[batch_size, size]，不同于卷积层要求输入输出是四维张量。

加上relu以后：

inplace=True的意思是进行原地操作，例如x=x+5，对x就是一个原地操作，不创建新的对象，直接对原始对象进行修改

step1：

step2：

step3：

nn.Relu vs F.relu

net.parameters()

激活函数与GPU加速

• SELU

• softplus

• GPU加速

可以使用torch.device()选取并返回抽象出的设备（这里选择了GPU），然后在定义的网络模块或者Tensor后面加上.to(device变量)就可以将它们搬到设备上了。

如有八张显卡，则cuda后可以是0-7的编号

.cuda()方法已经不推荐了

win7任务管理器里好像看不到GPU状态，一个比较笨的看NVIDIA GPU状态的方法就是在cmd里一直执行：

"C:Program FilesNVIDIA CorporationNVSMI
vidia-smi.exe"

MNIST测试实战

• argmax

Visdom可视化

• tensorbroadX

• visdom

step1：install

pip install visdom

pip uninstall visdom是卸载

直接用pip安装的话在windows上面可能出现问题，先从Github上下载Visdom的源码，进入解压后的目录，执行：

pip install -e . 有个点号！

即从当前目录下的setup.py安装了Visdom。

step2:run server damon

python -m visdom.server

除了可能看到一些warning信息之外，正常运行时是这样的：

It's Alive!
INFO:root:Application Started
You can navigate to http://localhost:8097

访问http://localhost:8097

• 绘制单曲线：

第三行创建一条曲线，首先创建y和x，这里初始只有一个点，所以yx都是0

win='train loss'是标志符

• 绘制多曲线

• 可视化 visdom x

过拟合与欠拟合

实例1：房价随面积的变化

例2：GPA

次方增加，网络表达能力变强

容量：

层数越大，学习能力越强

模型表达能力/复杂度＜真实数据的复杂度：underfitting欠拟合

例子：WGAN

模型表达能力/复杂度＞真实数据的复杂度：overfitting过拟合

交叉验证

数据集拆分：

test while train

检测 如果已经overfitting了就取最好的状态

train-val-test

作弊：用train的数据做test，会导致代码的泛化能力变差

划分train和test数据的方式：

• 留出法(hold-out)

也就是直接划分，如将60k的训练集划分出10k来做验证集。

• K-fold cross validation

也就是K折交叉验证。这可以将验证集充分利用起来，比如在每个epoch重新划分这60k的数据，拿出其中的50k作为训练数据，其中的10k作为验证集。好处是这60k数据中每个都有可能是用来做train的，同时每个数据都有可能是做validation的，也同样防止了用train的来做validation出现的记样本的问题。

K-fold cross-validation划分成K份，每次取K-1份用来作为训练数据，1份用来做验证。

Regularization

如何防止/减轻overfitting

1.提供更多的数据（最简单 消耗最大）

2.降低模型复杂度（减少层数、）

3.正则化

• L2 Regularization

• L1 Regularization

动量与学习率衰减

• 动量momentum

梯度更新的公式：

动量为0，没有找到全局最优解，并且出现很尖锐的更新方向

动量0.78，考虑历史方向会更多一点

• 学习率

Early stopping, dropout等

如何early stop

• DROPOUT

每段关系有一定概率断掉

加了dropout以后：

曲线更平滑

p=1时候说明所有线都有可能断掉，TensorFlow里相反

behavior between train and test：

• stochastic gradient descent随机梯度下降

最大的原因是硬件问题，大容量的价格高，不可能把所有数据都加载进来计算

什么是卷积

图片的表示（MNIST为例，黑白图）

每个数据表示了这个点的灰度值，0-255.使用时可以除以255变成0-1，这就变成了一个浮点型的数组

对于彩色图，如果忽略阿尔法通道的话就是RGB，使用三张表。每个数值也是0-255（0-1）

全连接网络/pytorch里也叫线性层：

全值共享weight sharing

为什么成为卷积？

卷积神经网络

• nn.Conv2d

• inner weight & bias

• F.conv2d

池化层与采样

下采样：

max pooling：

avg pooling：

reduce size：

上采样：

• F.interpolate

• RELU

Batch Norm

• feature scaling

经典卷积网络 LeNet5,AlexNet, VGG, GoogLeNet

• LeNet-5

99.2%acc

5/6 layers

• AlexNet

• VGG

• GoogLeNet

ResNet与DenseNet

直觉：更深层次的网络结构会带来更好的效果

实际上：层数增加以后，每层误差的积累，造成梯度离散或爆炸

人为设置一种机制，使得例如30层的效果再差也不会退化成20层的效果

残差：H(x)-x

• DenseNet

flat：

ResNet：

DenseNet：任何一层都有机会跟前面的所有层有接触

nn.Module模块

所有网络层类的一个辅类

nn.Module可嵌套

功能：

1.nn.Module里提供了大量的神经网络的计算模块

2.container： self.net nn.Sequential

3.parameters

4.modules

直接子节点称为children，所有产生的结点称为modules

5.to(device)

6.save and load

7.train/test