本文分享自华为云社区《使用PyTorch解决多分类问题：构建、训练和评估深度学习模型》，作者： 小馒头学Python。
引言
当处理多分类问题时，PyTorch是一种非常有用的深度学习框架。在这篇博客中，我们将讨论如何使用PyTorch来解决多分类问题。我们将介绍多分类问题的基本概念，构建一个简单的多分类神经网络模型，并演示如何准备数据、训练模型和评估结果。
什么是多分类问题？
多分类问题是一种机器学习任务，其中目标是将输入数据分为多个不同的类别或标签。与二分类问题不同，多分类问题涉及到三个或更多类别的分类任务。例如，图像分类问题可以将图像分为不同的类别，如猫、狗、鸟等。
处理步骤
收集和准备数据集，确保每个样本都有相应的标签，以指明其所属类别。
划分数据集为训练集、验证集和测试集，以便进行模型训练、调优和性能评估。
- 数据预处理：
对数据进行预处理，例如归一化、标准化、缺失值处理或数据增强，以确保模型训练的稳定性和性能。
- 选择模型架构：
选择适当的深度学习模型架构，通常包括卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、Transformer等，具体取决于问题的性质。
- 定义损失函数：
为多分类问题选择适当的损失函数，通常是交叉熵损失（Cross-Entropy Loss）。
- 选择优化器：
选择合适的优化算法，如随机梯度下降（SGD）、Adam、RMSprop等，以训练模型并调整权重。
- 训练模型：
使用训练数据集来训练模型。在每个训练迭代中，通过前向传播和反向传播来更新模型参数，以减小损失函数的值。
- 评估模型：
使用验证集来评估模型性能。常见的性能指标包括准确性、精确度、召回率、F1分数等。
- 调优模型：
根据验证集的性能，对模型进行调优，可以尝试不同的超参数设置、模型架构变化或数据增强策略。
- 测试模型：
最终，在独立的测试数据集上评估模型的性能，以获得最终性能评估。
- 部署模型：
将训练好的模型部署到实际应用中，用于实时或批处理多分类任务。
多分类问题
之前我们讨论的问题都是二分类居多，对于二分类问题，我们若求得p(0)，南无p(1)=1-p(0)，还是比较容易的，但是本节我们将引入多分类，那么我们所求得就转化为p(i)(i=1,2,3,4…)，同时我们需要满足以上概率中每一个都大于0；且总和为1。
处理多分类问题，这里我们新引入了一个称为Softmax Layer
接下来我们一起讨论一下Softmax Layer层
首先我们计算指数计算e的zi次幂，原因很简单e的指数函数恒大于0；分母就是e的z1次幂+e的z2次幂+e的z3次幂…求和，这样所有的概率和就为1了。
下图形象的展示了Softmax，Exponent这里指指数，和上面我们说的一样，先求指数，这样有了分子，再将所有指数求和，最后一一divide，得到了每一个概率。
接下来我们一起来看看损失函数
如果使用numpy进行实现，根据刘二大人的代码，可以进行如下的实现
- import numpy as np
- y = np.array([1,0,0])
- z = np.array([0.2,0.1,-0.1])
- y_pred = np.exp(z)/np.exp(z).sum()
- loss = (-y * np.log(y_pred)).sum()
- print(loss)
运行结果如下
注意：神经网络的最后一层不需要激活
在pytorch中
- import torch
- y = torch.LongTensor([0]) # 长整型
- z = torch.Tensor([[0.2, 0.1, -0.1]])
- criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
- loss = criterion(z, y)
- print(loss)
运行结果如下
下面根据一个例子进行演示
- criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
- Y = torch.LongTensor([2,0,1])
- Y_pred1 = torch.Tensor([[0.1, 0.2, 0.9],
- [1.1, 0.1, 0.2],
- [0.2, 2.1, 0.1]])
- Y_pred2 = torch.Tensor([[0.8, 0.2, 0.3],
- [0.2, 0.3, 0.5],
- [0.2, 0.2, 0.5]])
- l1 = criterion(Y_pred1, Y)
- l2 = criterion(Y_pred2, Y)
- print("Batch Loss1 = ", l1.data, "\nBatch Loss2=", l2.data)
运行结果如下
根据上面的代码可以看出第一个损失比第二个损失要小。原因很简单，想对于Y_pred1每一个预测的分类与Y是一致的，而Y_pred2则相差了一下，所以损失自然就大了些
MNIST dataset的实现
首先第一步还是导包
- import torch
- from torchvision import transforms
- from torchvision import datasets
- from torch.utils.data import DataLoader
- import torch.nn.functional as F
- import torch.optim as optim
之后是数据的准备
- batch_size = 64
- # transform可以将其转化为0-1，形状的转换从28×28转换为，1×28×28
- transform = transforms.Compose([
- transforms.ToTensor(),
- transforms.Normalize((0.1307, ), (0.3081, )) # 均值mean和标准差std
- ])
- train_dataset = datasets.MNIST(root='../dataset/mnist/',
- train=True,
- download=True,
- transform=transform)
- train_loader = DataLoader(train_dataset,
- shuffle=True,
- batch_size=batch_size)
- test_dataset = datasets.MNIST(root='../dataset/mnist/',
- train=False,
- download=True,
- transform=transform)
- test_loader = DataLoader(test_dataset,
- shuffle=False,
- batch_size=batch_size)
接下来我们构建网络
- class Net(torch.nn.Module):
- def __init__(self):
- super(Net, self).__init__()
- self.l1 = torch.nn.Linear(784, 512)
- self.l2 = torch.nn.Linear(512, 256)
- self.l3 = torch.nn.Linear(256, 128)
- self.l4 = torch.nn.Linear(128, 64)
- self.l5 = torch.nn.Linear(64, 10)
- def forward(self, x):
- x = x.view(-1, 784)
- x = F.relu(self.l1(x))
- x = F.relu(self.l2(x))
- x = F.relu(self.l3(x))
- x = F.relu(self.l4(x))
- return self.l5(x) # 注意最后一层不做激活
- model = Net()
之后定义损失和优化器
- criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
- optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.5)
接下来就进行训练了
- def train(epoch):
- running_loss = 0.0
-
- for batch_idx, data in enumerate(train_loader, 0):
- inputs, target = data
- optimizer.zero_grad()
- # forward + backward + update
- outputs = model(inputs)
- loss = criterion(outputs, target)
- loss.backward()
- optimizer.step()
- running_loss += loss.item()
- if batch_idx % 300 == 299:
- print('[%d, %5d] loss: %.3f' % (epoch + 1, batch_idx + 1, running_loss / 300))
- running_loss = 0.0
- def test():
- correct = 0
- total = 0
- with torch.no_grad(): # 这里可以防止内嵌代码不会执行梯度
- for data in test_loader:
- images, labels = data
- outputs = model(images)
- _, predicted = torch.max(outputs.data, dim=1)
- total += labels.size(0)
- correct += (predicted == labels).sum().item()
- print('Accuracy on test set: %d %%' % (100 * correct / total))
最后调用执行
- if __name__ == '__main__':
- for epoch in range(10):
- train(epoch)
- test()
NLLLoss 和 CrossEntropyLoss
NLLLoss 和 CrossEntropyLoss（也称为交叉熵损失）是深度学习中常用的两种损失函数，用于测量模型的输出与真实标签之间的差距，通常用于分类任务。它们有一些相似之处，但也有一些不同之处。
相同点：
用途：两者都用于分类任务，评估模型的输出和真实标签之间的差异，以便进行模型的训练和优化。
数学基础：NLLLoss 和 CrossEntropyLoss 本质上都是交叉熵损失的不同变种，它们都以信息论的概念为基础，衡量两个概率分布之间的相似度。
输入格式：它们通常期望模型的输出是一个概率分布，表示各个类别的预测概率，以及真实的标签。
不同点：
输入格式：NLLLoss 通常期望输入是对数概率（log probabilities），而 CrossEntropyLoss 通常期望输入是未经对数化的概率。在实际应用中，CrossEntropyLoss 通常与softmax操作结合使用，将原始模型输出转化为概率分布，而NLLLoss可以直接使用对数概率。
对数化：NLLLoss 要求将模型输出的概率经过对数化（取对数）以获得对数概率，然后与真实标签的离散概率分布进行比较。CrossEntropyLoss 通常在 softmax 操作之后直接使用未对数化的概率值与真实标签比较。
输出维度：NLLLoss 更通用，可以用于多种情况，包括多类别分类和序列生成等任务，因此需要更多的灵活性。CrossEntropyLoss 通常用于多类别分类任务。
总之，NLLLoss 和 CrossEntropyLoss 都用于分类任务，但它们在输入格式和使用上存在一些差异。通常，选择哪个损失函数取决于你的模型输出的格式以及任务的性质。如果你的模型输出已经是对数概率形式，通常使用NLLLoss，否则通常使用CrossEntropyLoss。
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