PyTorch介绍|AUTOMATICDIFFERENTIATIONWITHTORCH.AUTOGRAD

训练神经网络时，最常用的算法就是反向传播。在该算法中，参数（模型权重）会根据损失函数关于对应参数的梯度进行调整。

为了计算这些梯度，PyTorch内置了名为 torch.autograd 的微分引擎。它支持任意计算图的自动梯度计算。

一个最简单的单层神经网络，输入 x，参数 w 和 b，某个损失函数。它可以用PyTorch这样定义：

import torchx = torch.ones(5)      # input tensory = torch.zeros(3)     # expected outputw = torch.randn(5, 3, requires_grad=True)b = torch.randn(3, requires_grad=True)z = torch.matmul(x, w) + b    # 矩阵乘法loss = torch.nn.functional.binary_cross_entropy_with_logits(z, y)

Tensors、Functions and Computational graph

上述代码定义了下面的computational graph:

在该网络中，w 和 b 是parameters，是我们需要优化的。因此，我们需要能够计算损失函数关于这些变量的梯度。因此，我们设置了这些tensor的 requires_grad 属性。

注意：在创建tensor时可以设置 requires_grad 的值，或者创建之后使用 x.requires_grad_(True) 方法。

我们应用到tensor上构成计算图的function实际上是 Function 类的对象。该对象知道如何计算前向的函数，还有怎么计算反向传播步骤中函数的导数。反向传播函数存储在tensor的 grad_fn 属性中。You can find more information of Function in the documentation。

print('Gradient function for z =', z.grad_fn)print('Gradient function for loss =', loss.grad_fn)

输出：

Gradient function for z = <AddBackward0 object at 0x7faea5ef7e10>Gradient function for loss = <BinaryCrossEntropyWithLogitsBackward0 object at 0x7faea5ef7e10>

计算梯度

为了优化神经网络的参数权重，我们需要计算损失函数关于参数的导数，即，我们需要利用一些固定的 x 和 y 计算\(\frac{\partial loss}{\partial w}\)和\(\frac{\partial loss}{\partial b}\)。为计算这些导数，可以调用 loss.backward()，然后从 w.grad 和 b.grad：

loss.backward()print(w.grad)print(b.grad)

输出：

tensor([[0.0043, 0.2572, 0.3275],        [0.0043, 0.2572, 0.3275],        [0.0043, 0.2572, 0.3275],        [0.0043, 0.2572, 0.3275],        [0.0043, 0.2572, 0.3275]])tensor([0.0043, 0.2572, 0.3275])

注意：

• 我们只能在计算图中 requires_grad=True 的叶节点获得 grad 属性。对于其它节点，梯度是无效的。
• 出于性能原因，我们只能对给定的graph使用 backward 执行梯度计算。如果需要在同一graph调用若干次 backward，在调用时，需要传入 retain_graph=True。

禁用梯度跟踪

默认情况下，所有 requires_grad=True 的tensor都会跟踪它们的计算历史，并支持梯度计算。但是在一些情况下并不需要，例如，当我们已经训练了一个模型，并将其用在一些输入数据上，即，仅仅经过网络做前向运算。那么可以在我们的计算代码外包围 torch.no_grad() 块停止跟踪计算。

z = torch.matmul(x, w) + bprint(z.requires_grad())with torch.no_grad():    z = torch.matmul(x, w) + bprint(z.requires_grad)

输出：

TrueFalse

在tensor上使用 detach() 也能达到同样的效果

z = torch.matmul(x, w) + bz_det = z.detach()print(z_det.requires_grad)

输出：

False

禁止梯度跟踪的几个原因：

• 将神经网络的一些参数标记为frozen parameters。这在finetuning a pretrained network中是非常常见的脚本。
• 当你只做前向过程，用于speed up computations,因为tensor计算而不跟踪梯度将会更有效。

More on Coputational Graphs

概念上，autograd在一个由Function对象组成的有向无环图（DAG）中保留了数据（tensors）记录，还有所有执行的操作（以及由此产生的新的tensors）。在DAG中，叶节点是输入tensor，根节点是输出tensors。通过从根到叶跟踪该图，可以使用链式法则自动地计算梯度。

在前向过程中，autograd同时进行两件事：

• 运行请求的操作计算结果tensor
• 在DAG中保存操作的梯度函数

当在DAG根部调用 .backward()时，后向过程就会开始。autograd会：

• 由每一个 .grad_fn 计算梯度。
• 在对应tensor的 '.grad' 属性累积梯度
• 使用链式法则，一直传播到叶tensor

注意：DAGs在PyTorch是动态的，需要注意的一点是，graph是从头开始创建的；在每次调用 .backward() 之后，autograd开始生成一个新的graph。这允许你在模型中使用控制流语句；如果需要，你可以在每次迭代中改变shape，size，and operations。

选读：Tensor梯度和Jacobian Products

延伸阅读

• Autograd Mechanics