【学习笔记】Pytorch深度学习—优化器（一）

添加时间：2024-02-28 00:16:01

【学习笔记】Pytorch深度学习—优化器（一）

前面我们学习过了损失函数，损失函数Loss是衡量模型输出与真实标签之间的差异的。有了损失函数Loss，通过Loss根据一定的策略 来更新模型中的参数使得损失函数Loss逐步降低；这便是优化器optimizer的任务。本节优化器optimizer主要包括3方面内容，分别是（1）什么是优化器，优化器的定义和作用是？（2）Pytorch中提供的优化器optimizer的基本属性是？（3）optimizer的方法是？

图1 机器学习模型训练步骤

了解优化器之前，可以通过机器学习模型训练步骤简略了解一下优化器。在损失函数模块，根据模型输出与真实标签之间的差异得到Loss损失函数；有了Loss，通常采用Pytorch中的 autograd自动梯度求导得到模型中每个可学习参数的梯度grad；有了梯度grad，优化器optimizer获取梯度grad，通过一系列优化策略来更新模型参数，该参数就可使得Loss值下降，进而达到模型输出值与真实标签之间的差异减小的目的。

分析
其中，可学习参数指权值和 偏置bias；
其次，优化器最主要的2大功能：
（1）管理：指优化器管理哪一部分参数；
（2）更新：优化器当中具有一些优化策略，优化器可采用这些优化策略更新模型中可学习参数的值；这一更新策略，在神经网络中通常都会采用梯度下降法。

解释
那么，什么是梯度下降法？为什么梯度下降法就可以使得Loss降低呢？

图2 导数、方向导数、梯度定义

<预备知识>
根据图2例（1）中的一元函数曲线，可以看出函数 $y=4x^2$ 在x=2处的导数（变化率/切线斜率）为16；这说明导数是函数在指定坐标轴上的变化率。由于一元函数只有1个自变量，其方向受限。只有在二元函数或三元函数才考虑方向导数。在图2例（2）中“红色线”标注的，发现 $\frac{\partial z}{\partial x}$ 是固定y轴，求在x轴方向上的变化率；而 $\frac{\partial z}{\partial y}$ 是固定x，求在y轴方向上的变化率。那么，由于方向l是任意的，该红色点应当具有无穷多个方向导数。由此引出梯度概念。所谓梯度，就是在无穷多个方向导数中，其方向为方向导数取得最大的一个向量。

梯度，是1个向量（应当具有方向/模长2个属性）。①其方向是方向导数取得最大的方向；②模长为方向导数的值。简言之，梯度向量的方向使得当前点增长达到最快的方向，模长为增长速度。

采用梯度下降法的原因—Loss损失函数朝着梯度的负方向去变化：由于梯度方向是增长最快的，那么梯度的负方向就是下降最快的。因此，在模型更新参数时，采用“梯度下降法”朝着梯度的负方向去变化，可以使得损失函数Loss逐步降低。

<总结>
Pytorch中优化器optimizer 管理着模型中的可学习参数，并采用梯度下降法更新着可学习参数的值。

基本属性：
：优化器超参数；用来存储学习率、momentum的值等等；
：参数的缓存，如momentum的缓存；采用momentum时会使用前几次更新时使用的梯度，也就是前几次的梯度，把前几次的梯度值缓存下来，在本次更新中使用；
：管理的参数组；优化器最重要的属性，已经知道优化器是管理可学习参数，这一系列可学习参数就放在param_groups这一属性中，同时，这一参数组定义为list。

因此，param_groups是1个list。而在中，每一个元素又是1个，这些字典中有很多key，其中最重要的,只有当中才会存储训练模型的参数。

：记录更新次数，学习率调整中使用；比如更新在第100次，就下降学习率，更新到200次，又下降学习率。

一、zero_grad()
1、理论

已知参数param是1个特殊的张量，张量当中都会有梯度grad。由于Pytorch中张量tensor的梯度grad是不会自动清零的，它会在每一次backward反向传播时采用autograd计算梯度，并把梯度值累加到张量的grad属性中的。
如下图3所示，由于Pytorch中的grad属性不自动清零，因此每计算1次梯度就自动累加到grad属性中造成错误；因此，一定要在使用完梯度后或者进行梯度求导（反向传播）之间通过zero_grad进行清零。

图3 Pytorch中grad不自动清零特点

2、操作

Pytorch中优化器对梯度清零zero_grad()的具体实现

二、step()

当计算得到Loss，利用Loss进行backward反向传播计算各个参数的梯度之后，采用step()进行一步更新，更新权值参数。step()会采用梯度下降的策略，具体方法有很多种，比如随机梯度下降法、momentum+动量方法、autograd自适应学习率等等一系列优化方法。

三、add_param_group()

add_param_group()添加一组参数到优化器中。已知优化器管理很多参数，这些参数是可以分组；对于不同组的参数，有不同的超参数设置，例如在某一模型中，希望特征提取部分的权值参数的学习率小一点，学习更新慢一点，这时可以把特征提取的参数设置为一组参数，而对于后面全连接层，希望其学习率大一点，学习快一点。这时，可以把整个模型参数设置为两组，一组为特征提取部分的参数，另一部分是全连接层的参数，对这两组设置不同的学习率或超参数，这时就需要用到参数组概念。

四、state_dict()、load_state_dict()

这两个方法是一组操作，用于模型断点的续训练。例如训练1个模型需要10天，第5天停电或者意外原因，模型终止了训练。为了再次训练可以从断点开始，可以利用该组操作state_dict()和load_state_dict()保存在第5天模型以及优化器中的信息，在模型训练时会一定间隔如10epoch保存当前状态信息，用来在断点可以恢复训练。

实验分析optimizer的方法

（1）step()

实验结果