深度学习教程之基于代码一步一步教你机器学习中多层感知器(MLP)的原理

当谈到基于MLP(多层感知器)的机器学习例子时,一个常见的任务是使用MLP对手写数字进行分类。MLP是一种前馈神经网络,它由多个全连接层组成。以下是一个基于MLP的手写数字分类例子,并给每一行添加了详细注释:

  1. import torch
  2. import torch.nn as nn
  3. import torch.optim as optim
  4. from torchvision import datasets, transforms
  5.  
  6. # 设置随机种子,以便结果可复现
  7. torch.manual_seed(42)
  8.  
  9. # 定义数据预处理的管道
  10. transform = transforms.Compose([
  11. transforms.ToTensor(), # 将图像转换为张量
  12. transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)) # 归一化
  13. ])
  14.  
  15. # 加载并预处理MNIST数据集
  16. trainset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
  17. trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=32, shuffle=True)
  18.  
  19. testset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
  20. testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=32, shuffle=False)

首先,我们导入必要的库和模块,包括PyTorch、torchvision和torchvision.transforms。然后,我们设置了随机种子,以确保结果的可重现性。

接下来,我们定义了一个数据预处理的管道transform。在这个例子中,我们将图像转换为张量,并进行归一化处理。

然后,我们使用torchvision.datasets.MNIST加载MNIST手写数字数据集。通过设置root指定数据集的存储路径,train=True表示加载训练集,download=True表示如果数据集不存在,则下载数据集。我们还传入了之前定义的数据预处理管道transform

通过torch.utils.data.DataLoader,我们创建了训练集和测试集的数据加载器。batch_size参数指定每个批次的样本数量,shuffle=True表示在每个epoch中打乱数据。

  1. # 定义MLP模型
  2. class MLP(nn.Module):
  3. def __init__(self):
  4. super(MLP, self).__init__()
  5. self.fc1 = nn.Linear(28 * 28, 128) # 全连接层,输入大小为28*28,输出大小为128
  6. self.relu = nn.ReLU() # ReLU激活函数
  7. self.fc2 = nn.Linear(128, 10) # 全连接层,输入大小为128,输出大小为10(类别数)
  8.  
  9. def forward(self, x):
  10. x = x.view(x.size(0), -1) # 展平输入张量
  11. x = self.relu(self.fc1(x))
  12. x = self.fc2(x)
  13. return x

我们定义了一个简单的MLP模型。这个MLP模型包含了两个全连接层(fc1fc2),并使用ReLU激活函数。

__init__方法中,我们定义了模型的各个层次和参数。第一个全连接层的输入大小为28*28(输入图像的像素数),输出大小为128。第二个全连接层的输入大小为128,输出大小为10(类别数)。

forward方法中,我们定义了模型的前向传播过程。我们首先将输入张量展平成一维向量,然后通过第一个全连接层和ReLU激活函数得到特征表示,最后通过第二个全连接层获得输出。

  1. # 实例化模型和损失函数
  2. net = MLP()
  3. criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 交叉熵损失函数
  4. optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01) # 随机梯度下降优化器

我们实例化了之前定义的MLP模型,并定义了损失函数和优化器。在这个例子中,我们使用交叉熵损失函数和随机梯度下降(SGD)优化器。

  1. # 训练模型
  2. for epoch in range(5): # 进行5个epoch的训练
  3. running_loss = 0.0
  4. for i, data in enumerate(trainloader, 0):
  5. inputs, labels = data
  6. optimizer.zero_grad()
  7.  
  8. # 前向传播、反向传播、优化
  9. outputs = net(inputs)
  10. loss = criterion(outputs, labels)
  11. loss.backward()
  12. optimizer.step()
  13.  
  14. running_loss += loss.item()
  15. if i % 1000 == 999:
  16. print(f'[{epoch + 1}, {i + 1}] loss: {running_loss / 1000:.3f}')
  17. running_loss = 0.0
  18.  
  19. print('Finished training')

在训练阶段,我们使用训练集对模型进行训练。我们遍历数据加载器中的每个批次,将输入数据和标签加载到设备上。然后,我们将梯度缓存清零(通过optimizer.zero_grad()),执行前向传播、反向传播和优化步骤。损失函数用于计算输出和标签之间的损失,并通过反向传播计算梯度。优化器根据梯度更新模型的参数。我们还计算并打印出每个epoch的平均损失。

  1. # 在测试集上评估模型
  2. correct = 0
  3. total = 0
  4. with torch.no_grad():
  5. for data in testloader:
  6. images, labels = data
  7. outputs = net(images)
  8. _, predicted = torch.max(outputs.data, 1) # 获取每个样本预测的类别索引
  9. total += labels.size(0)
  10. correct += (predicted == labels).sum().item()
  11.  
  12. print(f'Accuracy on the test set: {100 * correct / total:.2f}%')

在测试阶段,我们使用测试集对训练好的模型进行评估。对于每个样本,我们计算模型的输出并找到最高分数对应的类别索引。然后,我们将预测结果与真实标签进行比较,计算分类正确的样本数。最后,我们计算并打印出模型在测试集上的准确率。

这个基于MLP的手写数字分类例子展示了如何使用深度学习来解决实际问题。通过构建一个MLP模型并对其进行训练,我们能够对手写数字进行分类,并获得模型在测试集上的准确率评估。多层感知器多层感知器多层感知器

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