pytorch基础【4】梯度计算、链式法则、梯度清零

梯度计算

在PyTorch中，计算图和梯度求导是核心功能之一，特别是在深度学习模型的训练过程中。以下是对这两个概念的详细解释：

计算图（Computational Graph）

计算图是一种有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG），其中节点表示操作（operation）或变量（variable），边表示操作的输入输出关系。PyTorch 使用计算图来记录和管理变量之间的依赖关系，以便在反向传播时计算梯度。

• 动态计算图（Dynamic Computational Graph）：PyTorch 采用动态计算图（Dynamic Computational Graph），即每次进行前向传播（forward pass）时，都会动态构建一个新的计算图。这样做的好处是可以更灵活地处理各种复杂的模型结构，尤其是那些在每个前向传播中都会变化的模型。

梯度求导（Gradient Computation）

梯度求导是深度学习中优化模型参数的关键步骤。梯度描述了损失函数对每个参数的变化率，用于指导参数的更新方向。

• 自动求导（Autograd）：PyTorch 提供了一个强大的自动求导库，称为 Autograd。通过 Autograd，PyTorch 可以自动计算标量值（通常是损失函数）的梯度。

函数与概念

1. torch.Tensor：
   • Tensor 是 PyTorch 中存储数据和定义计算图的基础数据结构。默认情况下，所有的张量（Tensor）都不会自动追踪计算的历史。
   • 如果要使张量参与计算图并能够进行自动求导，需要在创建张量时设置 requires_grad=True。
2. backward()：
   • 调用张量的 backward() 方法，PyTorch 会自动计算该张量的所有依赖张量的梯度，并存储在各自的 .grad 属性中。
   • backward() 只接受标量张量（一个数值），如果不是标量张量，通常会传递一个与张量形状匹配的梯度参数。
3. torch.no_grad()：
   • 在评估模型或推理时，我们不需要计算梯度，可以使用 torch.no_grad() 以节省内存和计算资源。

示例代码

import torch# 创建张量，并设置 requires_grad=True 以追踪其计算历史
x = torch.tensor(2.0, requires_grad=True)
y = x ** 2# 计算图中 y 的梯度
y.backward()  # 计算 y 对 x 的梯度
print(x.grad)  # 输出 x 的梯度，dy/dx = 2*x => 4# 在不需要梯度计算的情况下进行计算
with torch.no_grad():z = x * 2print(z)  # 输出：tensor(4.0)

更多细节

• 梯度累积与清零：每次调用 backward()，梯度会累积（即，累加到 .grad 属性中），因此在每次新的梯度计算之前通常需要清零现有的梯度，例如通过 optimizer.zero_grad()。
• 多次反向传播：如果在同一个计算图上进行多次反向传播（例如在 RNN 中），需要设置 retain_graph=True，以防止计算图被释放。

通过这些机制，PyTorch 提供了一个灵活且高效的框架，用于构建和训练复杂的神经网络模型。

梯度求导的过程

在PyTorch中，梯度求导的过程是通过自动微分（Autograd）机制实现的。以下是梯度求导过程的详细步骤：

梯度求导的基本步骤

1. 定义计算图：
   • 每当你对 torch.Tensor 进行操作时，PyTorch 会动态地创建一个计算图来记录操作。
   • 如果 Tensor 的 requires_grad 属性设置为 True，那么该张量会开始追踪其上的所有操作，这样你就可以调用 backward() 来自动计算其梯度。
2. 前向传播（Forward Pass）：
   • 计算图的构建是在前向传播过程中完成的。在前向传播过程中，输入数据通过神经网络的各层进行计算，最终生成输出。
3. 计算损失（Loss Calculation）：
   • 通常情况下，在前向传播结束后会计算损失函数（Loss），这是一个标量值，用于评估模型的输出与目标之间的差距。
4. 反向传播（Backward Pass）：
   • 调用损失张量的 backward() 方法。反向传播通过链式法则计算损失函数相对于每个叶子节点（即，所有具有 requires_grad=True 的张量）的梯度。
5. 更新参数（Parameter Update）：
   • 使用优化器（如 SGD、Adam 等）通过梯度下降或其他优化算法更新模型的参数。

示例代码

以下是一个简单的示例代码，演示了梯度求导的过程：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim# 定义一个简单的线性模型
class LinearModel(nn.Module):def __init__(self):super(LinearModel, self).__init__()self.linear = nn.Linear(1, 1)  # 输入维度为1，输出维度为1def forward(self, x):return self.linear(x)# 创建模型实例
model = LinearModel()# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()  # 均方误差损失函数
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)  # 随机梯度下降优化器# 创建输入数据和目标数据
inputs = torch.tensor([[1.0], [2.0], [3.0], [4.0]])
targets = torch.tensor([[2.0], [4.0], [6.0], [8.0]])# 前向传播
outputs = model(inputs)
loss = criterion(outputs, targets)# 反向传播
loss.backward()# 查看梯度
for param in model.parameters():print(param.grad)# 更新参数
optimizer.step()

步骤解析

1. 创建模型和数据：
   • 定义一个简单的线性回归模型，并创建输入数据和目标数据。
2. 前向传播：
   • 将输入数据传递给模型，计算输出。
   • 使用损失函数计算输出与目标之间的损失。
3. 反向传播：
   • 调用 loss.backward() 计算损失相对于每个参数的梯度。PyTorch 会通过计算图自动进行反向传播，计算各个参数的梯度并存储在 param.grad 中。
4. 更新参数：
   • 使用优化器的 step() 方法更新参数。这一步通常在每个训练迭代中执行。

注意事项

• 梯度清零：在每次调用 backward() 之前，通常需要清零现有的梯度，以避免梯度累积。这可以通过 optimizer.zero_grad() 或 model.zero_grad() 来实现。
• 链式法则：反向传播过程中使用链式法则计算梯度，因此在计算图较深时，梯度的计算会逐层进行，直到计算到每个叶子节点。

总结

PyTorch 的自动微分机制使得梯度计算变得简单且高效，通过构建计算图并自动进行反向传播，你可以专注于模型的设计和训练，而不必手动计算复杂的梯度。

链式法则是什么？

链式法则（Chain Rule）是微积分中的一个基本法则，用于求复合函数的导数。在深度学习中，链式法则用于反向传播（backpropagation）算法的核心，帮助计算损失函数相对于每个模型参数的梯度。

链式法则的数学定义

假设有两个函数 u=f(x) 和 y=g(u)，那么复合函数 y=g(f(x)) 的导数可以表示为：
$$\frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot \frac{du}{dx}$$

链式法则在深度学习中的应用

在深度学习中，神经网络由多个层组成，每一层可以看作是一个函数，这些函数依次连接形成一个复合函数。假设我们有一个三层的神经网络，其前向传播可以表示为：

1. a=f(x)
2. b=g(a)
3. c=h(b)

损失函数 L可以表示为 L=l©，其中 x 是输入数据，a、b、c 是中间层的输出。

反向传播中的链式法则

在反向传播过程中，我们需要计算损失函数 L对每个参数的梯度。通过链式法则，我们可以逐层计算这些梯度。具体步骤如下：

1. 计算损失函数相对于输出层的梯度：
   $$\frac{\partial L}{\partial c}$$

2. 计算损失函数相对于中间层 b的梯度：
   $$\frac{\partial L}{\partial b}=\frac{\partial L}{\partial c}\cdot \frac{\partial c}{\partial b}$$

3. 计算损失函数相对于中间层 a 的梯度：
   $$\frac{\partial L}{\partial a}=\frac{\partial L}{\partial b}\cdot \frac{\partial b}{\partial a}$$

4. 计算损失函数相对于输入层 x的梯度：
   $$\frac{\partial L}{\partial x}=\frac{\partial L}{\partial a}\cdot \frac{\partial a}{\partial x}$$

通过这种逐层传播梯度的方式，我们可以计算每个参数的梯度，从而使用梯度下降法来更新模型参数。

具体示例

让我们通过一个具体的例子来说明链式法则的应用。假设我们有一个简单的神经网络，其前向传播过程如下：

1. 输入 xxx

2. 第一层：
   $$z_1=W_{1}x+b_1$$

   ，激活函数
   $$a_1=\sigma (z_1)$$

3. 第二层：
   $$z_2=W_2{a}_1+b_2$$
   ，激活函数
   $$a_2=\sigma (z_2)$$

4. 输出层：
   $$y=W_3{a}_2+b_3$$

损失函数 L 是输出 y 和目标 ytarget之间的均方误差。

反向传播过程

计算输出层的梯度：
$$\frac{\partial L}{\partial y}=2(y-y_{target})$$

计算第二层的梯度：
$$\frac{\partial L}{\partial z_2}=\frac{\partial L}{\partial y}\cdot \frac{\partial y}{\partial z_2}=\frac{\partial L}{\partial y}\cdot W_3$$

$$\frac{\partial L}{\partial a_2}=\frac{\partial L}{\partial z_2}\cdot {\sigma }^{\prime }(z_2)\partial$$

计算第一层的梯度：
$$\frac{\partial L}{\partial z_1}=\frac{\partial L}{\partial a_2}\cdot \frac{\partial a_2}{\partial z_1}=\frac{\partial L}{\partial a_2}\cdot W_2$$

$$\frac{\partial L}{\partial a_1}=\frac{\partial L}{\partial z_1}\cdot {\sigma }^{\prime }(z_1)$$

计算输入层的梯度：
$$\frac{\partial L}{\partial x}=\frac{\partial L}{\partial a_1}\cdot W_1$$

通过链式法则，反向传播算法能够有效地计算出每一层参数的梯度，从而更新参数，最小化损失函数。

总结

链式法则是微积分中的一个重要法则，它在深度学习中的反向传播算法中起到了关键作用。通过链式法则，我们可以有效地计算复合函数的导数，从而利用梯度下降等优化方法来训练神经网络模型。

在深度学习中，梯度清零（zeroing gradients）是训练过程中的一个关键步骤，通常在每次参数更新之前进行。这个过程在PyTorch等深度学习框架中尤为重要。以下是关于为什么需要梯度清零以及如何实现梯度清零的详细解释：

为什么需要梯度清零

1. 防止梯度累积：
   • 在每次反向传播计算中，梯度会累积到模型参数的 .grad 属性中。如果不清零，梯度会在每个小批次（mini-batch）训练后继续累积，这将导致错误的梯度更新。
   • 举例来说，如果没有清零，当前批次的梯度会与之前批次的梯度相加，导致最终的梯度远大于实际应该的值。这会使参数更新的步长不合理，影响模型训练效果。
2. 正确的参数更新：
   • 每个小批次的梯度计算都应该基于当前的小批次数据，确保每次参数更新都准确反映当前的小批次数据对损失函数的贡献。

如何实现梯度清零

在PyTorch中，梯度清零通常通过调用 optimizer.zero_grad() 来实现。这里有一个完整的例子来说明这一过程：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim# 定义一个简单的神经网络
class SimpleNet(nn.Module):def __init__(self):super(SimpleNet, self).__init__()self.fc1 = nn.Linear(10, 5)self.fc2 = nn.Linear(5, 1)def forward(self, x):x = torch.relu(self.fc1(x))x = self.fc2(x)return x# 实例化模型和优化器
model = SimpleNet()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)# 生成一些假数据
data = torch.randn(10)  # 输入数据
target = torch.tensor([1.0])  # 目标标签# 损失函数
criterion = nn.MSELoss()# 训练过程中的一个小批次
for epoch in range(100):  # 假设训练100个epochoptimizer.zero_grad()  # 清零梯度output = model(data)  # 前向传播loss = criterion(output, target)  # 计算损失loss.backward()  # 反向传播计算梯度optimizer.step()  # 更新参数

进一步说明

• 清零位置： optimizer.zero_grad() 通常放在每个训练循环的开头，确保在计算新的梯度之前先将上一次迭代的梯度清零。
• 梯度累积应用场景： 在某些特定情况下，例如梯度累积（Gradient Accumulation）技术中，故意让梯度在多个小批次上累积，然后再更新参数。但这是特定应用场景，不适用于标准的训练过程。

总结

梯度清零是深度学习模型训练中的一个重要步骤，确保每次参数更新时的梯度计算是正确的、独立的。通过 optimizer.zero_grad() 方法，我们可以有效地防止梯度累积问题，从而确保模型训练过程的稳定性和准确性。