参数管理 ======== 在选择了架构并设置了超参数后,我们就进入了训练阶段。 此时,我们的目标是找到使损失函数最小化的模型参数值。 经过训练后,我们将需要使用这些参数来做出未来的预测。 此外,有时我们希望提取参数,以便在其他环境中复用它们, 将模型保存下来,以便它可以在其他软件中执行, 或者为了获得科学的理解而进行检查。 之前的介绍中,我们只依靠深度学习框架来完成训练的工作, 而忽略了操作参数的具体细节。 本节,我们将介绍以下内容: - 访问参数,用于调试、诊断和可视化; - 参数初始化; - 在不同模型组件间共享参数。 我们首先看一下具有单隐藏层的多层感知机。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python from mindspore import nn, ops from mindspore.common.initializer import Uniform, initializer net = nn.SequentialCell([nn.Dense(4, 8), nn.ReLU(), nn.Dense(8, 1)]) X = ops.rand((2, 4)) net(X) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Tensor(shape=[2, 1], dtype=Float32, value= [[-1.31420806e-01], [-4.23702121e-01]]) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python import torch from torch import nn net = nn.Sequential(nn.Linear(4, 8), nn.ReLU(), nn.Linear(8, 1)) X = torch.rand(size=(2, 4)) net(X) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([[-0.0323], [ 0.0018]], grad_fn=) .. raw:: html
.. raw:: html
参数访问 -------- 我们从已有模型中访问参数。 当通过\ ``Sequential``\ 类定义模型时, 我们可以通过索引来访问模型的任意层。 这就像模型是一个列表一样,每层的参数都在其属性中。 如下所示,我们可以检查第二个全连接层的参数。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(net[2].parameters_dict()) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output OrderedDict([('2.weight', Parameter (name=2.weight, shape=(1, 8), dtype=Float32, requires_grad=True)), ('2.bias', Parameter (name=2.bias, shape=(1,), dtype=Float32, requires_grad=True))]) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(net[2].state_dict()) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output OrderedDict([('weight', tensor([[ 0.1540, -0.1524, 0.2029, 0.0950, -0.1503, 0.3407, -0.1616, 0.0538]])), ('bias', tensor([-0.2031]))]) .. raw:: html
.. raw:: html
输出的结果告诉我们一些重要的事情: 首先,这个全连接层包含两个参数,分别是该层的权重和偏置。 两者都存储为单精度浮点数(float32)。 注意,参数名称允许唯一标识每个参数,即使在包含数百个层的网络中也是如此。 目标参数 ~~~~~~~~ 注意,每个参数都表示为参数类的一个实例。 要对参数执行任何操作,首先我们需要访问底层的数值。 有几种方法可以做到这一点。有些比较简单,而另一些则比较通用。 下面的代码从第二个全连接层(即第三个神经网络层)提取偏置, 提取后返回的是一个参数类实例,并进一步访问该参数的值。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(type(net[2].bias)) print(net[2].bias) print(net[2].bias.value()) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Parameter (name=2.bias, shape=(1,), dtype=Float32, requires_grad=True) [-0.09661776] .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(type(net[2].bias)) print(net[2].bias) print(net[2].bias.data) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Parameter containing: tensor([-0.2031], requires_grad=True) tensor([-0.2031]) 参数是复合的对象,包含值、梯度和额外信息。 这就是我们需要显式参数值的原因。 除了值之外,我们还可以访问每个参数的梯度。 在上面这个网络中,由于我们还没有调用反向传播,所以参数的梯度处于初始状态。 .. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python net[2].weight.grad == None .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output True .. raw:: html
.. raw:: html
一次性访问所有参数 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 当我们需要对所有参数执行操作时,逐个访问它们可能会很麻烦。 当我们处理更复杂的块(例如,嵌套块)时,情况可能会变得特别复杂, 因为我们需要递归整个树来提取每个子块的参数。 下面,我们将通过演示来比较访问第一个全连接层的参数和访问所有层。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(*[(name, param.shape) for name, param in net[0].parameters_dict().items()]) print(*[(name, param.shape) for name, param in net.parameters_dict().items()]) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output ('0.weight', (8, 4)) ('0.bias', (8,)) ('0.weight', (8, 4)) ('0.bias', (8,)) ('2.weight', (1, 8)) ('2.bias', (1,)) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(*[(name, param.shape) for name, param in net[0].named_parameters()]) print(*[(name, param.shape) for name, param in net.named_parameters()]) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output ('weight', torch.Size([8, 4])) ('bias', torch.Size([8])) ('0.weight', torch.Size([8, 4])) ('0.bias', torch.Size([8])) ('2.weight', torch.Size([1, 8])) ('2.bias', torch.Size([1])) .. raw:: html
.. raw:: html
这为我们提供了另一种访问网络参数的方式,如下所示。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python net.parameters_dict()['2.bias'].value() .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Tensor(shape=[1], dtype=Float32, value= [-9.66177583e-02]) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python net.state_dict()['2.bias'].data .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([-0.2031]) .. raw:: html
.. raw:: html
从嵌套块收集参数 ~~~~~~~~~~~~~~~~ 让我们看看,如果我们将多个块相互嵌套,参数命名约定是如何工作的。 我们首先定义一个生成块的函数(可以说是“块工厂”),然后将这些块组合到更大的块中。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def block1(): return nn.SequentialCell([nn.Dense(4, 8), nn.ReLU(), nn.Dense(8, 4), nn.ReLU()]) def block2(): net = nn.SequentialCell() for i in range(4): # 在这里嵌套 net.append(block1()) return net rgnet = nn.SequentialCell([block2(), nn.Dense(4, 1)]) rgnet(X) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Tensor(shape=[2, 1], dtype=Float32, value= [[ 5.45102693e-02], [ 5.45102693e-02]]) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def block1(): return nn.Sequential(nn.Linear(4, 8), nn.ReLU(), nn.Linear(8, 4), nn.ReLU()) def block2(): net = nn.Sequential() for i in range(4): # 在这里嵌套 net.add_module(f'block {i}', block1()) return net rgnet = nn.Sequential(block2(), nn.Linear(4, 1)) rgnet(X) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([[-0.0096], [-0.0096]], grad_fn=) .. raw:: html
.. raw:: html
设计了网络后,我们看看它是如何工作的。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(rgnet) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output SequentialCell( (0): SequentialCell( (0): SequentialCell( (0): Dense(input_channels=4, output_channels=8, has_bias=True) (1): ReLU() (2): Dense(input_channels=8, output_channels=4, has_bias=True) (3): ReLU() ) (1): SequentialCell( (0): Dense(input_channels=4, output_channels=8, has_bias=True) (1): ReLU() (2): Dense(input_channels=8, output_channels=4, has_bias=True) (3): ReLU() ) (2): SequentialCell( (0): Dense(input_channels=4, output_channels=8, has_bias=True) (1): ReLU() (2): Dense(input_channels=8, output_channels=4, has_bias=True) (3): ReLU() ) (3): SequentialCell( (0): Dense(input_channels=4, output_channels=8, has_bias=True) (1): ReLU() (2): Dense(input_channels=8, output_channels=4, has_bias=True) (3): ReLU() ) ) (1): Dense(input_channels=4, output_channels=1, has_bias=True) ) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python print(rgnet) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Sequential( (0): Sequential( (block 0): Sequential( (0): Linear(in_features=4, out_features=8, bias=True) (1): ReLU() (2): Linear(in_features=8, out_features=4, bias=True) (3): ReLU() ) (block 1): Sequential( (0): Linear(in_features=4, out_features=8, bias=True) (1): ReLU() (2): Linear(in_features=8, out_features=4, bias=True) (3): ReLU() ) (block 2): Sequential( (0): Linear(in_features=4, out_features=8, bias=True) (1): ReLU() (2): Linear(in_features=8, out_features=4, bias=True) (3): ReLU() ) (block 3): Sequential( (0): Linear(in_features=4, out_features=8, bias=True) (1): ReLU() (2): Linear(in_features=8, out_features=4, bias=True) (3): ReLU() ) ) (1): Linear(in_features=4, out_features=1, bias=True) ) .. raw:: html
.. raw:: html
因为层是分层嵌套的,所以我们也可以像通过嵌套列表索引一样访问它们。 下面,我们访问第一个主要的块中、第二个子块的第一层的偏置项。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python rgnet[0][1][0].bias.value() .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Tensor(shape=[8], dtype=Float32, value= [-1.41463935e-01, 3.31256509e-01, 4.59664226e-01, 4.15232331e-02, 3.21486354e-01, -1.22822206e-02, 6.90865889e-02, -4.68575448e-01]) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python rgnet[0][1][0].bias.data .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([-0.1838, 0.4298, -0.0177, 0.0446, -0.4949, -0.4320, 0.0924, 0.0711]) .. raw:: html
.. raw:: html
参数初始化 ---------- 知道了如何访问参数后,现在我们看看如何正确地初始化参数。 我们在 :numref:`sec_numerical_stability`\ 中讨论了良好初始化的必要性。 深度学习框架提供默认随机初始化, 也允许我们创建自定义初始化方法, 满足我们通过其他规则实现初始化权重。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
默认情况下,MindSpore会使用Normal初始化权重矩阵, 偏置参数设置为0。 MindSpore的\ ``common.initializer``\ 模块中提供了各种初始化方法。 .. raw:: html
.. raw:: html
默认情况下,PyTorch会根据一个范围均匀地初始化权重和偏置矩阵, 这个范围是根据输入和输出维度计算出的。 PyTorch的\ ``nn.init``\ 模块提供了多种预置初始化方法。 .. raw:: html
.. raw:: html
内置初始化 ~~~~~~~~~~ 让我们首先调用内置的初始化器。 下面的代码将所有权重参数初始化为标准差为0.01的高斯随机变量, 且将偏置参数设置为0。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def init_normal(m): if type(m) == nn.Dense: m.weight.set_data(initializer('normal', m.weight.shape, m.weight.dtype)) m.bias.set_data(initializer('zeros', m.bias.shape, m.bias.dtype)) net.apply(init_normal) net[0].weight.data[0], net[0].bias.data[0] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output (Tensor(shape=[4], dtype=Float32, value= [-7.03959377e-04, 1.28101204e-02, -1.53673217e-02, -1.59187196e-03]), Tensor(shape=[], dtype=Float32, value= 0)) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def init_normal(m): if type(m) == nn.Linear: nn.init.normal_(m.weight, mean=0, std=0.01) nn.init.zeros_(m.bias) net.apply(init_normal) net[0].weight.data[0], net[0].bias.data[0] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output (tensor([ 0.0077, -0.0071, 0.0050, -0.0177]), tensor(0.)) .. raw:: html
.. raw:: html
我们还可以将所有参数初始化为给定的常数,比如初始化为1。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def init_constant(m): if type(m) == nn.Dense: m.weight.set_data(initializer('one', m.weight.shape, m.weight.dtype)) m.bias.set_data(initializer('zeros', m.bias.shape, m.bias.dtype)) net.apply(init_constant) net[0].weight.data[0], net[0].bias.data[0] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output (Tensor(shape=[4], dtype=Float32, value= [ 1.00000000e+00, 1.00000000e+00, 1.00000000e+00, 1.00000000e+00]), Tensor(shape=[], dtype=Float32, value= 0)) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def init_constant(m): if type(m) == nn.Linear: nn.init.constant_(m.weight, 1) nn.init.zeros_(m.bias) net.apply(init_constant) net[0].weight.data[0], net[0].bias.data[0] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output (tensor([1., 1., 1., 1.]), tensor(0.)) .. raw:: html
.. raw:: html
我们还可以对某些块应用不同的初始化方法。 例如,下面我们使用Xavier初始化方法初始化第一个神经网络层, 然后将第三个神经网络层初始化为常量值42。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def init_xavier(m): if type(m) == nn.Dense: m.weight.set_data(initializer('xavier_uniform', m.weight.shape, m.weight.dtype)) def init_42(m): if type(m) == nn.Dense: m.weight.set_data(initializer(42, m.weight.shape, m.weight.dtype)) net[0].apply(init_xavier) net[2].apply(init_42) print(net[0].weight.data[0]) print(net[2].weight.data.value()) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output [ 0.67527854 0.31270772 0.20053129 -0.29991123] [[42. 42. 42. 42. 42. 42. 42. 42.]] .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def init_xavier(m): if type(m) == nn.Linear: nn.init.xavier_uniform_(m.weight) def init_42(m): if type(m) == nn.Linear: nn.init.constant_(m.weight, 42) net[0].apply(init_xavier) net[2].apply(init_42) print(net[0].weight.data[0]) print(net[2].weight.data) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([-0.6666, 0.0822, 0.5257, 0.5681]) tensor([[42., 42., 42., 42., 42., 42., 42., 42.]]) .. raw:: html
.. raw:: html
自定义初始化 ~~~~~~~~~~~~ 有时,深度学习框架没有提供我们需要的初始化方法。 在下面的例子中,我们使用以下的分布为任意权重参数\ :math:`w`\ 定义初始化方法: .. math:: \begin{aligned} w \sim \begin{cases} U(5, 10) & \text{ 可能性 } \frac{1}{4} \\ 0 & \text{ 可能性 } \frac{1}{2} \\ U(-10, -5) & \text{ 可能性 } \frac{1}{4} \end{cases} \end{aligned} 同样,我们实现了一个\ ``my_init``\ 函数来应用到\ ``net``\ 。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def my_init(m): if type(m) == nn.Dense: print("Init", *[(name, param.shape) for name, param in m.parameters_dict().items()][0]) m.weight.set_data(initializer(Uniform(scale=10), m.weight.shape, m.weight.dtype)) m.weight.data[:] *= (m.weight.data.abs() >= 5) net.apply(my_init) net[0].weight[:2] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Init 0.weight (8, 4) Init 2.weight (1, 8) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Tensor(shape=[2, 4], dtype=Float32, value= [[-0.00000000e+00, -0.00000000e+00, 0.00000000e+00, 0.00000000e+00], [-0.00000000e+00, -0.00000000e+00, -0.00000000e+00, 5.32515860e+00]]) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def my_init(m): if type(m) == nn.Linear: print("Init", *[(name, param.shape) for name, param in m.named_parameters()][0]) nn.init.uniform_(m.weight, -10, 10) m.weight.data *= m.weight.data.abs() >= 5 net.apply(my_init) net[0].weight[:2] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Init weight torch.Size([8, 4]) Init weight torch.Size([1, 8]) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([[-8.9009, 0.0000, -7.2894, 9.6437], [ 0.0000, -6.8565, 7.6186, 8.8137]], grad_fn=) .. raw:: html
.. raw:: html
注意,我们始终可以直接设置参数。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python net[0].weight.data[:] += 1 net[0].weight.data[0, 0] = 42 net[0].weight.data[0] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output Tensor(shape=[4], dtype=Float32, value= [ 4.20000000e+01, 1.00000000e+00, 1.00000000e+00, 1.00000000e+00]) .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python net[0].weight.data[:] += 1 net[0].weight.data[0, 0] = 42 net[0].weight.data[0] .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([42.0000, 1.0000, -6.2894, 10.6437]) .. raw:: html
.. raw:: html
参数绑定 -------- 有时我们希望在多个层间共享参数: 我们可以定义一个稠密层,然后使用它的参数来设置另一个层的参数。 .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python # 我们需要给共享层一个名称,以便可以引用它的参数 # 我们需要给共享层一个名称,以便可以引用它的参数 shared = nn.Dense(8, 8) net = nn.SequentialCell([nn.Dense(4, 8), nn.ReLU(), shared, nn.ReLU(), shared, nn.ReLU(), nn.Dense(8, 1)]) net(X) # 检查参数是否相同 print(net[2].weight.data[0] == net[4].weight.data[0]) net[2].weight.data[0, 0] = 100 # 确保它们实际上是同一个对象,而不只是有相同的值 print(net[2].weight.data[0] == net[4].weight.data[0]) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output [ True True True True True True True True] [ True True True True True True True True] .. raw:: html
.. raw:: html
.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python # 我们需要给共享层一个名称,以便可以引用它的参数 shared = nn.Linear(8, 8) net = nn.Sequential(nn.Linear(4, 8), nn.ReLU(), shared, nn.ReLU(), shared, nn.ReLU(), nn.Linear(8, 1)) net(X) # 检查参数是否相同 print(net[2].weight.data[0] == net[4].weight.data[0]) net[2].weight.data[0, 0] = 100 # 确保它们实际上是同一个对象,而不只是有相同的值 print(net[2].weight.data[0] == net[4].weight.data[0]) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output tensor([True, True, True, True, True, True, True, True]) tensor([True, True, True, True, True, True, True, True]) .. raw:: html
.. raw:: html
这个例子表明第三个和第五个神经网络层的参数是绑定的。 它们不仅值相等,而且由相同的张量表示。 因此,如果我们改变其中一个参数,另一个参数也会改变。 这里有一个问题:当参数绑定时,梯度会发生什么情况? 答案是由于模型参数包含梯度,因此在反向传播期间第二个隐藏层 (即第三个神经网络层)和第三个隐藏层(即第五个神经网络层)的梯度会加在一起。 小结 ---- - 我们有几种方法可以访问、初始化和绑定模型参数。 - 我们可以使用自定义初始化方法。 练习 ---- 1. 使用 :numref:`sec_model_construction` 中定义的\ ``FancyMLP``\ 模型,访问各个层的参数。 2. 查看初始化模块文档以了解不同的初始化方法。 3. 构建包含共享参数层的多层感知机并对其进行训练。在训练过程中,观察模型各层的参数和梯度。 4. 为什么共享参数是个好主意? .. raw:: html
mindsporepytorch
.. raw:: html
`讨论 `__ .. raw:: html
.. raw:: html
`讨论 `__ .. raw:: html
.. raw:: html