9 使用torch.autograd实现自动求导

在上一篇中，我们讨论了自动求导的基本概念，了解了什么是自动求导，以及它在深度学习中扮演的重要角色。本篇将深入探讨如何使用PyTorch中的torch.autograd模块实现自动求导，并通过实战案例来帮助大家更好地理解这一过程。

什么是torch.autograd？

torch.autograd是PyTorch中用于实现自动求导的核心包。它能够根据操作记录自动计算梯度，这使得我们可以轻松地进行反向传播（Backpropagation），进而优化模型。在此过程中，torch.autograd会构建一个计算图，图中的节点是张量，而边则表示它们之间的操作关系。

使用自动求导的基本步骤

在使用torch.autograd时，主要的步骤如下：

1. 创建张量：我们需要先创建需要计算梯度的张量，并设置其属性requires_grad=True。
2. 构建计算图：对创建的张量进行各种操作以生成新张量。
3. 反向传播：通过调用.backward()方法自动计算梯度。
4. 访问梯度：可以通过.grad属性来访问计算得到的梯度。

案例：简单的线性回归

为了更好地理解torch.autograd的实现，我们通过一个简单的线性回归案例来演示自动求导过程。

数据准备

我们首先生成一些线性数据作为训练集。考虑一个简单的线性方程：

$$ y = 2x + 1 $$

我们在此基础上加入一些随机噪声来模拟实际数据。以下是数据准备的代码：

import torch
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 设置随机种子
torch.manual_seed(42)

# 生成数据
x = torch.linspace(0, 1, 100).reshape(-1, 1)  # 100个数据点
y = 2 * x + 1 + torch.randn(x.size()) * 0.1  # y = 2x + 1 + 噪声

# 可视化数据
plt.scatter(x.numpy(), y.numpy(), color='blue')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.title('Generated Data')
plt.show()

构建模型

接下来，我们构建一个简单的线性回归模型。这里我们使用torch.nn.Linear来创建一个线性层。

import torch.nn as nn

# 定义线性模型
model = nn.Linear(1, 1)  # 输入是1维，输出也是1维

定义损失函数和优化器

我们使用均方误差（MSE）作为损失函数，并使用随机梯度下降（SGD）作为优化器：

# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

训练模型

现在，我们将进行模型的训练。在每个训练周期中，我们需要执行以下步骤：

1. 正向传播：计算预测值。
2. 计算损失：使用损失函数计算损失。
3. 反向传播：调用.backward()来计算梯度。
4. 更新参数：使用优化器更新模型参数。

以下是训练过程的代码：

# 训练模型
num_epochs = 200

for epoch in range(num_epochs):
    # 正向传播
    outputs = model(x)  # 计算预测
    loss = criterion(outputs, y)  # 计算损失

    # 反向传播
    optimizer.zero_grad()  # 清零之前的梯度
    loss.backward()  # 计算梯度
    optimizer.step()  # 更新参数

    if (epoch+1) % 20 == 0:
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')

可视化结果

训练完成后，我们可以可视化模型的预测结果：

# 可视化结果
with torch.no_grad():  # 在这个上下文中不需要计算梯度
    predicted = model(x)

plt.scatter(x.numpy(), y.numpy(), color='blue')
plt.plot(x.numpy(), predicted.numpy(), color='red', linewidth=2)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.title('Linear Regression Result')
plt.legend(['Predicted', 'Original'])
plt.show()

总结

通过以上的案例，我们展示了如何使用torch.autograd实现自动求导，了解了它的基本使用流程和在训练神经网络中应用的重要性。在深度学习的实际应用中，自动求导是极为关键的工具，它简化了我们对模型梯度的计算，从而使得模型训练更加高效。

在下一篇中，我们将继续探讨神经网络基础，介绍神经网络的基本结构，为您进一步理解深度学习奠定基础。