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【动手学深度学习】2.4 ~ 2.7 节学习（微积分、自动求导、概率、查阅文档）

2023-04-03 19:44 由 bringlu 发表于 #其他

2.4 微积分

2.4.3 梯度

梯度是一个多元函数所有变量偏导数的连接。具体而言：设函数 \(f:\mathbb{R}^n \rightarrow \mathbb{R}\) 的输入是一个 \(n\) 维向量 \(\boldsymbol{x} = [x_1, x_2, \cdots, x_n]^T\)，输出是一个标量。函数 \(f(\boldsymbol{x})\) 相对于 \(\boldsymbol{x}\) 的梯度是一个包含 \(n\) 个偏导数的向量：

\[\nabla_x f(\boldsymbol{x}) = [\frac{\partial f(\boldsymbol{x})}{\partial x_1}, \frac{\partial f(\boldsymbol{x})}{\partial x_2}, \cdots, \frac{\partial f(\boldsymbol{x})}{\partial x_n}]^T \]

其中，\(\nabla_x f(\boldsymbol{x})\) 在没有歧义时通常被 \(\nabla f(\boldsymbol{x})\) 取代。

假设 \(\boldsymbol{x}\) 为 \(n\) 维向量，在对多元函数求微分时经常使用以下规则：

  • 对于所有 \(\boldsymbol{A} \in \mathbb{R}^{m\times n}\)，都有 \(\nabla_\boldsymbol{x} \boldsymbol{Ax} = \boldsymbol{A}^T\)；
  • 对于所有 \(\boldsymbol{A} \in \mathbb{R}^{m\times n}\)，都有 \(\nabla_\boldsymbol{x} \boldsymbol{x}^T \boldsymbol{A} = \boldsymbol{A}\)；
  • 对于所有 \(\boldsymbol{A} \in \mathbb{R}^{m\times n}\)，都有 \(\nabla_\boldsymbol{x} \boldsymbol{x}^T \boldsymbol{Ax} = (\boldsymbol{A} + \boldsymbol{A}^T) \boldsymbol{x}\)；
  • \(\nabla_x ||\boldsymbol{x}||^2 = \nabla_\boldsymbol{x} \boldsymbol{x}^T \boldsymbol{x} = 2\boldsymbol{x}\)。

同样，对于任何矩阵 \(\boldsymbol{X}\)，都有 \(\nabla_\boldsymbol{X} ||\boldsymbol{X}||^2_F = 2\boldsymbol{X}\)。

2.4.4 链式法则

假设可微函数 \(y\) 有变量 \(u_1, u_2, \ldots, u_m\)，其中每个可微函数 \(u_i\) 都有变量 \(x_1, x_2, \ldots, x_n\)。

则

\[\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x_i} = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u_1} \frac{\mathrm{d}u_1}{\mathrm{d}x_i} + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u_2} \frac{\mathrm{d}u_2}{\mathrm{d}x_i} + \cdots + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u_m} \frac{\mathrm{d}u_m}{\mathrm{d}x_i} \]

2.5 自动求导

2.5.1 一些简单的函数

  • x.requires_grad_(True) 表明 x 需要梯度，等价于 x = torch.arange(4.0, requires_grad=True)
  • x.grad 表示 x 的梯度
  • x.grad.zero_() 表示将 x 的梯度归零
  • y.backward() 将 y 的值反向传播，然后再 x.grad 即可看 x 的梯度。这个方法与 torch.autograd.grad() 差不多，但是，求高阶导数只能用后一种方法，原因在于 backward() 后 x 的一阶导已经占据了 x.grad 没有办法做清零或者再 backward() 了。而且，torch.autograd.grad() 中 create_graph 参数必须为 True
    • 参数 retain_graph 表示是否保留计算图，因为正常为了保持速度，计算图会在反向传播完被销毁，把这个调成 True，计算图就不会被销毁，仍然可以反向传播。
    • 参数 create_graph 表示是否创建反向图，有了反向图就可以再次求高阶导了。

2.5.2 非标量变量的反向传播

由于自动梯度实现张量对张量求梯度很麻烦几乎不可做，因此 PyTorch 中禁止了张量对张量求梯度。如果要张量对张量求梯度的话，最好将结果张量求和，例如调用 y.sum().backward()：

\[[\frac{\partial (y_1 + y_2 + \ldots + y_n)}{\partial x_1}, \frac{\partial (y_1 + y_2 + \ldots + y_n)}{\partial x_2}, \ldots, \frac{\partial (y_1 + y_2 + \ldots + y_n)}{\partial x_n}] = [\frac{\partial y_1}{\partial x_1} + \frac{\partial y_2}{\partial x_1} + \ldots + \frac{\partial y_n}{\partial x_1}, \frac{\partial y_1}{\partial x_2} + \frac{\partial y_2}{\partial x_2} + \ldots + \frac{\partial y_n}{\partial x_2}, \cdots, \frac{\partial y_1}{\partial x_n} + \frac{\partial y_2}{\partial x_n} + \ldots + \frac{\partial y_n}{\partial x_n}] \]

或者也可以给 backward () 传入 gradient 参数，如果要实现和上文一样的功能，可以调用 y.backward(torch.ones_like(y))，效果一样。参考 pytorch中backward函数的gradient参数作用、PyTorch 的 backward 为什么有一个 grad_variables 参数？ 这两篇文章。

假设 x 经过一番计算得到 y，那么 y.backward(w) 求的不是 y 对 x 的导数，而是 l = torch.sum(y*w) 对 x 的导数。w 可以视为 y 的各分量的权重，也可以视为遥远的损失函数 l 对 y 的偏导数（这正是函数说明文档的含义）。特别地，若 y 为标量，w 取默认值 1.0，才是按照我们通常理解的那样，求 y 对 x 的导数。

由于当 x, y 都为张量时，\(\nabla_{\boldsymbol{x}} \boldsymbol{y}\) 不好求，因此退而求其次，利用遥远的 loss 函数标量 l 来求 \(\nabla_{\boldsymbol{x}} l\)。不妨假设此时反向传播过程已经计算完毕了 \(\nabla_{\boldsymbol{y}} l = [\frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} y_{1}}, \frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} y_{2}}, \ldots, \frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} y_{n}}]\)，此时还有另一个 Jocabi 矩阵是关于张量 y 中每一个元素和张量 x 中每一个元素的关系的，可以简单地在这一步中利用梯度追踪求出它：

\[\begin{bmatrix} \frac{\mathrm{d} y_1}{\mathrm{d} x_{1}} & \frac{\mathrm{d} y_1}{\mathrm{d} x_{2}} & \cdots & \frac{\mathrm{d} y_1}{\mathrm{d} x_{m}} \\ \frac{\mathrm{d} y_2}{\mathrm{d} x_{1}} & \frac{\mathrm{d} y_2}{\mathrm{d} x_{2}} & \cdots & \frac{\mathrm{d} y_2}{\mathrm{d} x_{m}} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\mathrm{d} y_n}{\mathrm{d} x_{1}} & \frac{\mathrm{d} y_n}{\mathrm{d} x_{2}} & \cdots & \frac{\mathrm{d} y_n}{\mathrm{d} x_{m}} \\ \end{bmatrix} \]

于是，接下来利用这两个式子，就可以求出至关重要的 \(\nabla_{\boldsymbol{x}} l\) 了。

\[\nabla_{\boldsymbol{x}} l = [\frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} x_{1}}, \frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} x_{2}}, \ldots, \frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} x_{m}}] = [\frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} y_{1}}, \frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} y_{2}}, \ldots, \frac{\mathrm{d} l}{\mathrm{d} y_{n}}] \begin{bmatrix} \frac{\mathrm{d} y_1}{\mathrm{d} x_{1}} & \frac{\mathrm{d} y_1}{\mathrm{d} x_{2}} & \cdots & \frac{\mathrm{d} y_1}{\mathrm{d} x_{m}} \\ \frac{\mathrm{d} y_2}{\mathrm{d} x_{1}} & \frac{\mathrm{d} y_2}{\mathrm{d} x_{2}} & \cdots & \frac{\mathrm{d} y_2}{\mathrm{d} x_{m}} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\mathrm{d} y_n}{\mathrm{d} x_{1}} & \frac{\mathrm{d} y_n}{\mathrm{d} x_{2}} & \cdots & \frac{\mathrm{d} y_n}{\mathrm{d} x_{m}} \\ \end{bmatrix} \]

可以发现，本质上讲，\(\nabla_{\boldsymbol{y}} l\) 就上文引用文本中的 w，或者说是 backward(gradient) 这个函数中的 gradient 参数。

2.5.3 分离计算

有时希望将某些计算移到记录的计算图之外。这里可以利用 u = y.detach() 将 y 视为一个常数，然后丢弃计算图中如何计算 y 的任何信息。换言之，梯度不会向后流经 u 到 x。

2.5.4 Python 控制流的梯度计算

即使构建函数的计算图需要通过 Python 控制流，也可以计算得到变量的梯度。

2.6 概率

调用下面的代码产生 \(x\) 个采样 \(n\) 个样本的张量。

import torch
from torch.distributions import multinomial
x = 5
n = 10
fair_probs = torch.ones([6]) / 6
multinomial.Multinomial(n, fair_probs).sample((x, ))

tensor([[1., 2., 2., 2., 1., 2.],
        [3., 2., 0., 2., 1., 2.],
        [2., 1., 2., 1., 2., 2.],
        [1., 3., 4., 1., 0., 1.],
        [2., 3., 2., 3., 0., 0.]])

2.7 查阅文档

2.7.1 查找模块中的所有函数和类

可以调用 dir() 函数来查找模块中的所有函数和类。例如：

import torch
print(dir(torch.distributions))

['AbsTransform', 'AffineTransform', 'Bernoulli', 'Beta', 'Binomial', 'CatTransform', 'Categorical', 'Cauchy', 'Chi2', 'ComposeTransform', 'ContinuousBernoulli', 'CorrCholeskyTransform', 'CumulativeDistributionTransform', 'Dirichlet', 'Distribution', 'ExpTransform', 'Exponential', 'ExponentialFamily', 'FisherSnedecor', 'Gamma', 'Geometric', 'Gumbel', 'HalfCauchy', 'HalfNormal', 'Independent', 'IndependentTransform', 'Kumaraswamy', 'LKJCholesky', 'Laplace', 'LogNormal', 'LogisticNormal', 'LowRankMultivariateNormal', 'LowerCholeskyTransform', 'MixtureSameFamily', 'Multinomial', 'MultivariateNormal', 'NegativeBinomial', 'Normal', 'OneHotCategorical', 'OneHotCategoricalStraightThrough', 'Pareto', 'Poisson', 'PowerTransform', 'RelaxedBernoulli', 'RelaxedOneHotCategorical', 'ReshapeTransform', 'SigmoidTransform', 'SoftmaxTransform', 'SoftplusTransform', 'StackTransform', 'StickBreakingTransform', 'StudentT', 'TanhTransform', 'Transform', 'TransformedDistribution', 'Uniform', 'VonMises', 'Weibull', 'Wishart', '__all__', '__builtins__', '__cached__', '__doc__', '__file__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__path__', '__spec__', 'bernoulli', 'beta', 'biject_to', 'binomial', 'categorical', 'cauchy', 'chi2', 'constraint_registry', 'constraints', 'continuous_bernoulli', 'dirichlet', 'distribution', 'exp_family', 'exponential', 'fishersnedecor', 'gamma', 'geometric', 'gumbel', 'half_cauchy', 'half_normal', 'identity_transform', 'independent', 'kl', 'kl_divergence', 'kumaraswamy', 'laplace', 'lkj_cholesky', 'log_normal', 'logistic_normal', 'lowrank_multivariate_normal', 'mixture_same_family', 'multinomial', 'multivariate_normal', 'negative_binomial', 'normal', 'one_hot_categorical', 'pareto', 'poisson', 'register_kl', 'relaxed_bernoulli', 'relaxed_categorical', 'studentT', 'transform_to', 'transformed_distribution', 'transforms', 'uniform', 'utils', 'von_mises', 'weibull', 'wishart']

可以忽略以“__”（双下划线）开始和结束的函数（它们时 Python 中的特殊对象）和以“_”（单下划线）开始的函数（通常是内部函数）

2.7.2 查找特定函数和类的用法

可以调用 help 函数查看。例如采样的多项式分布函数：

from torch.distributions import multinomial
help(multinomial.Multinomial(1, fair_probs))

Help on Multinomial in module torch.distributions.multinomial object:

class Multinomial(torch.distributions.distribution.Distribution)
 |  Multinomial(total_count=1, probs=None, logits=None, validate_args=None)
 |  
 |  Creates a Multinomial distribution parameterized by :attr:`total_count` and
 |  either :attr:`probs` or :attr:`logits` (but not both). The innermost dimension of
 |  :attr:`probs` indexes over categories. All other dimensions index over batches.
 |  
 |  Note that :attr:`total_count` need not be specified if only :meth:`log_prob` is
 |  called (see example below)
 |  
 |  .. note:: The `probs` argument must be non-negative, finite and have a non-zero sum,
 |            and it will be normalized to sum to 1 along the last dimension. :attr:`probs`
 |            will return this normalized value.
 |            The `logits` argument will be interpreted as unnormalized log probabilities
 |            and can therefore be any real number. It will likewise be normalized so that
 |            the resulting probabilities sum to 1 along the last dimension. :attr:`logits`
 |            will return this normalized value.
 |  
 |  -   :meth:`sample` requires a single shared `total_count` for all
 |      parameters and samples.
 |  -   :meth:`log_prob` allows different `total_count` for each parameter and
 |      sample.

# 以下内容过长，故省略

或者在 jupyter notebook 中，可以使用?指令在另一个浏览器窗口中显示文档。例如，list? 指令将创建与 help(list) 指令几乎相同的内容，并在新的浏览器窗口中显示它。 此外，如果我们使用两个问号，如 list??，将显示实现该函数的 Python 代码。

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