Python训练营---Day40

知识点回顾：

1. 彩色和灰度图片测试和训练的规范写法：封装在函数中
2. 展平操作：除第一个维度batchsize外全部展平
3. dropout操作：训练阶段随机丢弃神经元，测试阶段eval模式关闭dropout

作业：仔细学习下测试和训练代码的逻辑，这是基础，这个代码框架后续会一直沿用，后续的重点慢慢就是转向模型定义阶段了。

灰度图片：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import transforms,datasets
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置中文字体支持
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei"]
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题# 1、数据预处理
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),  # 转换为张量并归一化到[0,1]transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))  # MNIST数据集的均值和标准差
])# 2. 加载MNIST数据集
train_dataset=datasets.MNIST(root='./data',  train=True,  download=True, transform=transform  
)test_dataset=datasets.MNIST(root='./data',  train=False,  transform=transform  
)# 3. 创建数据加载器
batch_size=64  # 每批处理64个样本
train_loader=DataLoader(train_dataset,batch_size=batch_size,shuffle=True    # 打乱数据顺序
)test_loader=DataLoader(test_dataset,batch_size=batch_size,shuffle=False 
)# 4. 定义模型、损失函数和优化器
class MLP(nn.Module):def __init__(self):super(MLP,self).__init__()self.flatten=nn.Flatten()  # 将28x28的图像展平为784维向量self.layer1=nn.Linear(784,128)  # 第一层：784个输入，128个神经元self.relu=nn.ReLU()  # 激活函数self.layer2=nn.Linear(128,10)  # 第二层：128个输入，10个输出（对应10个数字类别）def forward(self,x):x=self.flatten(x)  # 展平图像x=self.layer1(x)   # 第一层线性变换x=self.relu(x)     # 应用ReLU激活函数x=self.layer2(x)   # 第二层线性变换，输出logitsreturn x# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 初始化模型
model = MLP().to(device)  # 将模型移至GPU（如果可用）
criterion=nn.CrossEntropyLoss()  # 交叉熵损失函数，适用于多分类问题
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)  # Adam优化器# 5、训练模型
def train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs):model.train()  # 设置模型为训练模式# 新增：记录每个 iteration 的损失all_iter_losses = []  # 存储所有 batch 的损失iter_indices = []     # 存储 iteration 序号（从1开始）for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0correct = 0total = 0for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):data,target=data.to(device),target.to(device)optimizer.zero_grad()  # 梯度清零output = model(data)  # 前向传播 outputs = model.forward(X_train),调用model类的__call__方法loss = criterion(output, target)  # 计算损失loss.backward()  # 反向传播optimizer.step()  # 更新参数# 记录当前 iteration 的损失（注意：这里直接使用单 batch 损失，而非累加平均）iter_loss =loss.item()all_iter_losses.append(iter_loss)  # 记录损失iter_indices.append(batch_idx + 1 + epoch * len(train_loader))  # 记录 iteration 序号# 统计准确率和损失（原逻辑保留，用于 epoch 级统计）running_loss +=iter_loss_, predicted = output.max(1)  # 找到概率最大的类别total += target.size(0)  # 总样本数correct += predicted.eq(target).sum().item()  # 正确预测的样本数if(batch_idx+1)%100==0:print(f'Epoch: {epoch+1}/{epochs} | Batch: {batch_idx+1}/{len(train_loader)} 'f'| 单Batch损失: {iter_loss:.4f} | 累计平均损失: {running_loss/(batch_idx+1):.4f}')# 原 epoch 级逻辑（测试、打印 epoch 结果）不变epoch_train_loss = running_loss / len(train_loader)epoch_train_acc = 100. * correct / totalepoch_test_loss, epoch_test_acc = test(model, test_loader, criterion, device)print(f'Epoch {epoch+1}/{epochs} 完成 | 训练准确率: {epoch_train_acc:.2f}% | 测试准确率: {epoch_test_acc:.2f}%')# 绘制所有 iteration 的损失曲线plot_iter_losses(all_iter_losses, iter_indices)# # 保留原 epoch 级曲线（可选）# plot_metrics(train_losses, test_losses, train_accuracies, test_accuracies, epochs)return epoch_test_acc  # 返回最终测试准确率# 6、测试模型
def test(model,test_loader,criterion,device):model.eval()  # 设置模型为评估模式test_loss=0.0correct=0total=0with torch.no_grad():  # 不需要计算梯度for data,target in test_loader:data,target=data.to(device),target.to(device)output=model(data)test_loss+=criterion(output,target).item()  # 累加损失_,predicted=output.max(1)  # 找到概率最大的类别total+=target.size(0)  # 总样本数correct+=predicted.eq(target).sum().item()  # 正确预测的样本数avg_loss=test_loss/len(test_loader)  # 计算平均损失accuracy=100.*correct/total  # 计算准确率return avg_loss,accuracy# 7、绘制每个 iteration 的损失曲线
def plot_iter_losses(losses, indices):plt.figure(figsize=(10, 4))plt.plot(indices, losses, 'b-', alpha=0.7, label='Iteration Loss')plt.xlabel('Iteration（Batch序号）')plt.ylabel('损失值')plt.title('每个 Iteration 的训练损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 8. 执行训练和测试（设置 epochs=2 验证效果）
epochs = 2  
print("开始训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")

彩色图片：

由于深度mlp的参数过多，为了避免过拟合在这里引入了dropout这个操作，他可以在训练阶段随机丢弃一些神经元，避免过拟合情况。dropout的取值也是超参数。

在测试阶段，由于开启了eval模式，会自动关闭dropout。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置中文字体支持
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei"]
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题# 1. 数据预处理
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),                # 转换为张量transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))  # 标准化处理
])# 2. 加载CIFAR-10数据集
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./cifar_data',train=True,download=True,transform=transform
)test_dataset = datasets.CIFAR10(root='./cifar_data',train=False,transform=transform
)# 3. 创建数据加载器
batch_size = 64
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)# 4. 定义MLP模型（适应CIFAR-10的输入尺寸）
class MLP(nn.Module):def __init__(self):super(MLP, self).__init__()self.flatten = nn.Flatten()  # 将3x32x32的图像展平为3072维向量self.layer1 = nn.Linear(3072, 512)  # 第一层：3072个输入，512个神经元self.relu1 = nn.ReLU()self.dropout1 = nn.Dropout(0.2)  # 添加Dropout防止过拟合self.layer2 = nn.Linear(512, 256)  # 第二层：512个输入，256个神经元self.relu2 = nn.ReLU()self.dropout2 = nn.Dropout(0.2)self.layer3 = nn.Linear(256, 10)  # 输出层：10个类别def forward(self, x):# 第一步：将输入图像展平为一维向量x = self.flatten(x)  # 输入尺寸: [batch_size, 3, 32, 32] → [batch_size, 3072]# 第一层全连接 + 激活 + Dropoutx = self.layer1(x)   # 线性变换: [batch_size, 3072] → [batch_size, 512]x = self.relu1(x)    # 应用ReLU激活函数x = self.dropout1(x) # 训练时随机丢弃部分神经元输出# 第二层全连接 + 激活 + Dropoutx = self.layer2(x)   # 线性变换: [batch_size, 512] → [batch_size, 256]x = self.relu2(x)    # 应用ReLU激活函数x = self.dropout2(x) # 训练时随机丢弃部分神经元输出# 第三层（输出层）全连接x = self.layer3(x)   # 线性变换: [batch_size, 256] → [batch_size, 10]return x  # 返回未经过Softmax的logits# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 初始化模型
model = MLP()
model = model.to(device)  # 将模型移至GPU（如果可用）criterion = nn.CrossEntropyLoss()  # 交叉熵损失函数
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)  # Adam优化器# 5. 训练模型（记录每个 iteration 的损失）
def train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs):model.train()  # 设置为训练模式# 记录每个 iteration 的损失all_iter_losses = []  # 存储所有 batch 的损失iter_indices = []     # 存储 iteration 序号for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0correct = 0total = 0for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):data, target = data.to(device), target.to(device)  # 移至GPUoptimizer.zero_grad()  # 梯度清零output = model(data)  # 前向传播loss = criterion(output, target)  # 计算损失loss.backward()  # 反向传播optimizer.step()  # 更新参数# 记录当前 iteration 的损失iter_loss = loss.item()all_iter_losses.append(iter_loss)iter_indices.append(epoch * len(train_loader) + batch_idx + 1)# 统计准确率和损失running_loss += iter_loss_, predicted = output.max(1)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()# 每100个批次打印一次训练信息if (batch_idx + 1) % 100 == 0:print(f'Epoch: {epoch+1}/{epochs} | Batch: {batch_idx+1}/{len(train_loader)} 'f'| 单Batch损失: {iter_loss:.4f} | 累计平均损失: {running_loss/(batch_idx+1):.4f}')# 计算当前epoch的平均训练损失和准确率epoch_train_loss = running_loss / len(train_loader)epoch_train_acc = 100. * correct / total# 测试阶段model.eval()  # 设置为评估模式test_loss = 0correct_test = 0total_test = 0with torch.no_grad():for data, target in test_loader:data, target = data.to(device), target.to(device)output = model(data)test_loss += criterion(output, target).item()_, predicted = output.max(1)total_test += target.size(0)correct_test += predicted.eq(target).sum().item()epoch_test_loss = test_loss / len(test_loader)epoch_test_acc = 100. * correct_test / total_testprint(f'Epoch {epoch+1}/{epochs} 完成 | 训练准确率: {epoch_train_acc:.2f}% | 测试准确率: {epoch_test_acc:.2f}%')# 绘制所有 iteration 的损失曲线plot_iter_losses(all_iter_losses, iter_indices)return epoch_test_acc  # 返回最终测试准确率# 6. 绘制每个 iteration 的损失曲线
def plot_iter_losses(losses, indices):plt.figure(figsize=(10, 4))plt.plot(indices, losses, 'b-', alpha=0.7, label='Iteration Loss')plt.xlabel('Iteration（Batch序号）')plt.ylabel('损失值')plt.title('每个 Iteration 的训练损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 7. 执行训练和测试
epochs = 20  # 增加训练轮次以获得更好效果
print("开始训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")

输入张量的形状通常为：(batch_size, channels, height, width)。其中，batch_size 代表一次输入的样本数量。

NLP任务中的张量形状：(batch_size, sequence_length)，此时，batch_size同样是第一个维度。