零基础学习机器学习（十一）多层感知机的从零开始实现

发表于 更新于 分类于 Waline：

现在让我们尝试自己实现一个多层感知机。 为了与之前softmax回归获得的结果进行比较， 我们将继续使用Fashion-MNIST图像分类数据集。

初始化模型参数

回想一下，Fashion-MNIST中的每个图像由28×28=78428 \times 28 = 784 个灰度像素值组成。 所有图像共分为10个类别。 忽略像素之间的空间结构， 我们可以将每个图像视为具有784个输入特征 和10个类的简单分类数据集。 首先，我们将实现一个具有单隐藏层的多层感知机， 它包含256个隐藏单元。 注意，我们可以将这两个变量都视为超参数。 通常，我们选择2的若干次幂作为层的宽度。 因为内存在硬件中的分配和寻址方式，这么做往往可以在计算上更高效。

我们用几个张量来表示我们的参数。 注意，对于每一层我们都要记录一个权重矩阵和一个偏置向量。 跟以前一样，我们要为损失关于这些参数的梯度分配内存。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
num_inputs, num_outputs, num_hiddens = 784, 10, 256

W1 = nn.Parameter(torch.randn(
    num_inputs, num_hiddens, requires_grad=True) * 0.01)
b1 = nn.Parameter(torch.zeros(num_hiddens, requires_grad=True))
W2 = nn.Parameter(torch.randn(
    num_hiddens, num_outputs, requires_grad=True) * 0.01)
b2 = nn.Parameter(torch.zeros(num_outputs, requires_grad=True))

params = [W1, b1, W2, b2]

激活函数

我们将实现ReLU激活函数， 而不是直接调用内置的relu函数。

1
2
3
def relu(X):
    a = torch.zeros_like(X)
    return torch.max(X, a)

模型

因为我们忽略了空间结构， 所以我们使用reshape将每个二维图像转换为一个长度为num_inputs的向量。 只需几行代码就可以实现我们的模型。

1
2
3
4
def net(X):
    X = X.reshape((-1, num_inputs))
    H = relu(X@W1 + b1)  # 这里“@”代表矩阵乘法
    return (H@W2 + b2)

损失函数

由于我们已经从零实现过softmax函数（ 3.6节）， 因此在这里我们直接使用高级API中的内置函数来计算softmax和交叉熵损失。

1
loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')

训练

幸运的是，多层感知机的训练过程与softmax回归的训练过程完全相同。可以直接用之前博客的train_ch3函数

1
2
3
num_epochs, lr = 10, 0.1
updater = torch.optim.SGD(params, lr=lr)
d2l.train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, updater)

为了对学习到的模型进行评估，我们将在一些测试数据上应用这个模型。

1
d2l.predict_ch3(net, test_iter)