模型训练复习

简单的MLP模型（多层感知机）

以4特征，3分类的鸢尾花数据集为例

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
import numpy as np
import torch# 加载数据集
iris = load_iris()
x = iris.data
y = iris.target
# 划分数据集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.2, random_state=42)
# 打印尺寸
print(x_train.shape)
print(y_train.shape)
print(x_test.shape)
print(y_test.shape)# 归一化数据，神经网络对于输入数据的尺寸敏感，归一化是最常见的处理方式
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
scaler = MinMaxScaler()
x_train = scaler.fit_transform(x_train)
x_test = scaler.transform(x_test) #确保训练集和测试集使用相同的缩放因子
# y_train和y_test是整数，所以需要转化为long类型，如果是float32，会输出1.0 0.0
x_train = torch.FloatTensor(x_train) 
y_train = torch.LongTensor(y_train)
x_test = torch.FloatTensor(x_test)
y_test = torch.LongTensor(y_test)import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
class MLP(nn.module):def __init__(self):super(MLP, self).__init__()self.fc1 = nn.Linear(4, 10)self.relu = nn.ReLU()self.fc2 = nn.Linear(10, 3)def forward(self, x):x = self.fc1(x)x = self.relu(x)x = self.fc2(x)return xmodel = MLP()# 定义损失函数和优化器
# 分类问题使用交叉熵损失函数，适用于多分类问题，应用softmax函数将输出映射到概率分布，然后计算交叉熵损失
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
# 使用随机梯度下降优化器（SGD)，学习率为0.01
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)# 开始循环训练
# 训练模型
num_epochs = 20000 # 训练的轮数# 用于存储每个 epoch 的损失值
losses = []for epoch in range(num_epochs): # 开始迭代训练过程，range是从0开始，所以epoch是从0开始# 前向传播：将数据输入模型，计算模型预测输出outputs = model.forward(x_train)   # 显式调用forward函数# outputs = model(X_train)  # 常见写法隐式调用forward函数，其实是用了model类的__call__方法loss = criterion(outputs, y_train) # output是模型预测值，y_train是真实标签，计算两者之间损失值# 反向传播和优化optimizer.zero_grad() #梯度清零，因为PyTorch会累积梯度，所以每次迭代需要清零，梯度累计是那种小的bitchsize模拟大的bitchsizeloss.backward() # 反向传播计算梯度，自动完成以下计算：# 1. 计算损失函数对输出的梯度# 2. 从输出层→隐藏层→输入层反向传播# 3. 计算各层权重/偏置的梯度optimizer.step() # 更新参数# 记录损失值losses.append(loss.item())# 打印训练信息if (epoch + 1) % 100 == 0: # range是从0开始，所以epoch+1是从当前epoch开始，每100个epoch打印一次print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')import matplotlib.pyplot as plt
# 可视化损失曲线
plt.plot(range(num_epochs), losses)
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.title('Training Loss over Epochs')
plt.show()

引入进度条和GPU训练

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
import time
import matplotlib.pyplot as plt
from tqdm import tqdm  # 导入tqdm库用于进度条显示
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")  # 忽略警告信息# 设置GPU设备
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"使用设备: {device}")# 加载鸢尾花数据集
iris = load_iris()
X = iris.data  # 特征数据
y = iris.target  # 标签数据# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)# 归一化数据
scaler = MinMaxScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)# 将数据转换为PyTorch张量并移至GPU
X_train = torch.FloatTensor(X_train).to(device)
y_train = torch.LongTensor(y_train).to(device)
X_test = torch.FloatTensor(X_test).to(device)
y_test = torch.LongTensor(y_test).to(device)class MLP(nn.Module):def __init__(self):super(MLP, self).__init__()self.fc1 = nn.Linear(4, 10)  # 输入层到隐藏层self.relu = nn.ReLU()self.fc2 = nn.Linear(10, 3)  # 隐藏层到输出层def forward(self, x):out = self.fc1(x)out = self.relu(out)out = self.fc2(out)return out# 实例化模型并移至GPU
model = MLP().to(device)# 分类问题使用交叉熵损失函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()# 使用随机梯度下降优化器
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)# 训练模型
num_epochs = 20000  # 训练的轮数# 用于存储每100个epoch的损失值和对应的epoch数
losses = []
epochs = []start_time = time.time()  # 记录开始时间# 创建tqdm进度条
with tqdm(total=num_epochs, desc="训练进度", unit="epoch") as pbar:# 训练模型for epoch in range(num_epochs):# 前向传播outputs = model(X_train)  # 隐式调用forward函数loss = criterion(outputs, y_train)# 反向传播和优化optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()# 记录损失值并更新进度条if (epoch + 1) % 200 == 0:losses.append(loss.item())epochs.append(epoch + 1)# 更新进度条的描述信息pbar.set_postfix({'Loss': f'{loss.item():.4f}'})# 每1000个epoch更新一次进度条if (epoch + 1) % 1000 == 0:pbar.update(1000)  # 更新进度条# 确保进度条达到100%if pbar.n < num_epochs:pbar.update(num_epochs - pbar.n)  # 计算剩余的进度并更新time_all = time.time() - start_time  # 计算训练时间
print(f'Training time: {time_all:.2f} seconds')# 可视化损失曲线
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(epochs, losses)
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.title('Training Loss over Epochs')
plt.grid(True)
plt.show()# 在测试集上评估模型，此时model内部已经是训练好的参数了
# 评估模型
model.eval() # 设置模型为评估模式
with torch.no_grad(): # torch.no_grad()的作用是禁用梯度计算，可以提高模型推理速度outputs = model(X_test)  # 对测试数据进行前向传播，获得预测结果_, predicted = torch.max(outputs, 1) # torch.max(outputs, 1)返回每行的最大值和对应的索引#这个函数返回2个值，分别是最大值和对应索引，参数1是在第1维度（行）上找最大值，_ 是Python的约定，表示忽略这个返回值，所以这个写法是找到每一行最大值的下标# 此时outputs是一个tensor，p每一行是一个样本，每一行有3个值，分别是属于3个类别的概率，取最大值的下标就是预测的类别# predicted == y_test判断预测值和真实值是否相等，返回一个tensor，1表示相等，0表示不等，然后求和，再除以y_test.size(0)得到准确率# 因为这个时候数据是tensor，所以需要用item()方法将tensor转化为Python的标量# 之所以不用sklearn的accuracy_score函数，是因为这个函数是在CPU上运行的，需要将数据转移到CPU上，这样会慢一些# size(0)获取第0维的长度，即样本数量correct = (predicted == y_test).sum().item() # 计算预测正确的样本数accuracy = correct / y_test.size(0)print(f'测试集准确率: {accuracy * 100:.2f}%')

再增加早停机制 + 防止过拟合

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
import time
import matplotlib.pyplot as plt
from tqdm import tqdm  # 导入tqdm库用于进度条显示
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")  # 忽略警告信息# 设置GPU设备
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"使用设备: {device}")# 加载鸢尾花数据集
iris = load_iris()
X = iris.data  # 特征数据
y = iris.target  # 标签数据# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)# 归一化数据
scaler = MinMaxScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)# 将数据转换为PyTorch张量并移至GPU
X_train = torch.FloatTensor(X_train).to(device)
y_train = torch.LongTensor(y_train).to(device)
X_test = torch.FloatTensor(X_test).to(device)
y_test = torch.LongTensor(y_test).to(device)class MLP(nn.Module):def __init__(self):super(MLP, self).__init__()self.fc1 = nn.Linear(4, 10)  # 输入层到隐藏层self.relu = nn.ReLU()self.fc2 = nn.Linear(10, 3)  # 隐藏层到输出层def forward(self, x):out = self.fc1(x)out = self.relu(out)out = self.fc2(out)return out# 实例化模型并移至GPU
model = MLP().to(device)# 分类问题使用交叉熵损失函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()# 使用随机梯度下降优化器
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)# 训练模型
num_epochs = 20000  # 训练的轮数# 用于存储每200个epoch的损失值和对应的epoch数
train_losses = []  # 存储训练集损失
test_losses = []   # 存储测试集损失
epochs = []# ===== 新增早停相关参数 =====
best_test_loss = float('inf')  # 记录最佳测试集损失
best_epoch = 0                 # 记录最佳epoch
patience = 50                # 早停耐心值（连续多少轮测试集损失未改善时停止训练）
counter = 0                    # 早停计数器
early_stopped = False          # 是否早停标志
# ==========================start_time = time.time()  # 记录开始时间# 创建tqdm进度条
with tqdm(total=num_epochs, desc="训练进度", unit="epoch") as pbar:# 训练模型for epoch in range(num_epochs):# 前向传播outputs = model(X_train)  # 隐式调用forward函数train_loss = criterion(outputs, y_train)# 反向传播和优化optimizer.zero_grad()train_loss.backward()optimizer.step()# 记录损失值并更新进度条if (epoch + 1) % 200 == 0:# 计算测试集损失model.eval()with torch.no_grad():test_outputs = model(X_test)test_loss = criterion(test_outputs, y_test)model.train()train_losses.append(train_loss.item())test_losses.append(test_loss.item())epochs.append(epoch + 1)# 更新进度条的描述信息pbar.set_postfix({'Train Loss': f'{train_loss.item():.4f}', 'Test Loss': f'{test_loss.item():.4f}'})# ===== 新增早停逻辑 =====if test_loss.item() < best_test_loss: # 如果当前测试集损失小于最佳损失best_test_loss = test_loss.item() # 更新最佳损失best_epoch = epoch + 1 # 更新最佳epochcounter = 0 # 重置计数器# 保存最佳模型torch.save(model.state_dict(), 'best_model.pth')else:counter += 1if counter >= patience:print(f"早停触发！在第{epoch+1}轮，测试集损失已有{patience}轮未改善。")print(f"最佳测试集损失出现在第{best_epoch}轮，损失值为{best_test_loss:.4f}")early_stopped = Truebreak  # 终止训练循环# ======================# 每1000个epoch更新一次进度条if (epoch + 1) % 1000 == 0:pbar.update(1000)  # 更新进度条# 确保进度条达到100%if pbar.n < num_epochs:pbar.update(num_epochs - pbar.n)  # 计算剩余的进度并更新time_all = time.time() - start_time  # 计算训练时间
print(f'Training time: {time_all:.2f} seconds')# ===== 新增：加载最佳模型用于最终评估 =====
if early_stopped:print(f"加载第{best_epoch}轮的最佳模型进行最终评估...")model.load_state_dict(torch.load('best_model.pth'))
# ================================# 可视化损失曲线
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(epochs, train_losses, label='Train Loss')
plt.plot(epochs, test_losses, label='Test Loss')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.title('Training and Test Loss over Epochs')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()# 在测试集上评估模型
model.eval()
with torch.no_grad():outputs = model(X_test)_, predicted = torch.max(outputs, 1)correct = (predicted == y_test).sum().item()accuracy = correct / y_test.size(0)print(f'测试集准确率: {accuracy * 100:.2f}%')  

以MNIST手写数据集为例

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms  # 用于加载MNIST数据集
from torch.utils.data import DataLoader  # 用于创建数据加载器
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，没有的话会自动下载
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，用于批量加载数据
# 这里我们使用 DataLoader 来创建训练集和测试集的加载器，
# 并设置了 batch_size 和 shuffle 参数。
# batch_size 表示每次加载的数据量，shuffle 表示是否打乱数据顺序。   
batch_size = 64  # 每批处理64个样本
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)  # 训练时打断顺序
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)  # 测试时不打断顺序# 4. 定义感知机模型、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，方便输入到全连接层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()
model = model.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（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# 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)  # 移至GPU(如果可用)optimizer.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（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)iter_indices.append(epoch * len(train_loader) + batch_idx + 1)  # iteration 序号从1开始# 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)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()# 每100个批次打印一次训练信息（可选：同时打印单 batch 损失）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()  # 设置为评估模式test_loss = 0correct = 0total = 0with torch.no_grad():  # 不计算梯度，节省内存和计算资源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 += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()avg_loss = test_loss / len(test_loader)accuracy = 100. * correct / totalreturn avg_loss, accuracy  # 返回损失和准确率# 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}%")# 9. 随机选择测试图像进行预测展示
def show_random_predictions(model, test_loader, device, num_images=5):model.eval()# 随机选择索引indices = np.random.choice(len(test_dataset), num_images, replace=False)plt.figure(figsize=(3*num_images, 4))for i, idx in enumerate(indices):# 获取图像和真实标签image, label = test_dataset[idx]image = image.unsqueeze(0).to(device)# 预测并计算概率with torch.no_grad():output = model(image)probs = torch.nn.functional.softmax(output, dim=1)_, predicted = torch.max(output.data, 1)confidence = probs[0][predicted].item()# 转换图像格式image = image.squeeze().cpu().numpy()# 修改为直接取第一个通道（MNIST是单通道）image = image[0] if image.ndim == 3 else image  # 处理单通道情况image = image * 0.1307 + 0.3081  # 反归一化# 绘制结果plt.subplot(1, num_images, i+1)plt.imshow(image, cmap='gray')  # 明确指定灰度图# 设置标题颜色和内容title_color = 'green' if predicted.item() == label else 'red'title_text = (f'真实: {test_dataset.classes[label]}\n'f'预测: {test_dataset.classes[predicted.item()]}\n'f'置信度: {confidence:.2%}')plt.title(title_text, color=title_color)plt.axis('off')plt.tight_layout()plt.show()# 在训练完成后调用
print("\n随机测试图像预测结果:")
show_random_predictions(model, test_loader, device)

以CIFAR-10数据集为例

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='./data',train=True,download=True,transform=transform
)test_dataset = datasets.CIFAR10(root='./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}%")# # 保存模型
# torch.save(model.state_dict(), 'cifar10_mlp_model.pth')
# # print("模型已保存为: cifar10_mlp_model.pth")

CNN模型

卷积的本质：通过卷积核在输入通道上的滑动乘积，提取跨通道的空间特征。所以只需要定义几个参数即可

1. 卷积核大小：卷积核的大小，如3x3、5x5、7x7等。

2. 输入通道数：输入图片的通道数，如1（单通道图片）、3（RGB图片）、4（RGBA图片）等。

3. 输出通道数：卷积核的个数，即输出的通道数。如本模型中通过 32→64→128 逐步增加特征复杂度

4. 步长（stride）：卷积核的滑动步长，默认为1。

 以CIFAR-10为例

# 创建网络模型
class Model(nn.Module):def __init__(self):super(Model, self).__init__()self.model = nn.Sequential(nn.Conv2d(3, 32, 5, 1, 2),nn.MaxPool2d(2),nn.Conv2d(32, 32, 5, 1, 2),nn.MaxPool2d(2),nn.Conv2d(32, 64, 5, 1, 2),nn.MaxPool2d(2),nn.Flatten(),nn.Linear(64*4*4, 64),nn.Linear(64, 10))def forward(self, x):x = self.model(x)return x

卷积操作常见流程如下：

1. 输入 → 卷积层 → Batch归一化层（可选） → 池化层 → 激活函数 → 下一层

2. Flatten -> Dense (with Dropout，可选) -> Dense (Output)

class CNN(nn.Module):def __init__(self):super(CNN, self).__init__()  # 继承父类初始化# ---------------------- 第一个卷积块 ----------------------# 卷积层1：输入3通道（RGB），输出32个特征图，卷积核3x3，边缘填充1像素self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3,       # 输入通道数（图像的RGB通道）out_channels=32,     # 输出通道数（生成32个新特征图）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸（3x3像素）padding=1            # 边缘填充1像素，保持输出尺寸与输入相同)# 批量归一化层：对32个输出通道进行归一化，加速训练，提高稳定性self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_features=32)# ReLU激活函数：引入非线性，公式：max(0, x)self.relu1 = nn.ReLU()# 最大池化层：窗口2x2，步长2，特征图尺寸减半（32x32→16x16）self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)  # stride默认等于kernel_size# ---------------------- 第二个卷积块 ----------------------# 卷积层2：输入32通道（来自conv1的输出），输出64通道self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=32,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=64,     # 输出通道数（特征图数量翻倍）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸不变padding=1            # 保持尺寸：16x16→16x16（卷积后）→8x8（池化后）)self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_features=64)self.relu2 = nn.ReLU()self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：16x16→8x8# ---------------------- 第三个卷积块 ----------------------# 卷积层3：输入64通道，输出128通道self.conv3 = nn.Conv2d(in_channels=64,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=128,    # 输出通道数（特征图数量再次翻倍）kernel_size=3,padding=1            # 保持尺寸：8x8→8x8（卷积后）→4x4（池化后）)self.bn3 = nn.BatchNorm2d(num_features=128)self.relu3 = nn.ReLU()  # 复用激活函数对象（节省内存）self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：8x8→4x4# ---------------------- 全连接层（分类器） ----------------------# 计算展平后的特征维度：128通道 × 4x4尺寸 = 128×16=2048维self.fc1 = nn.Linear(in_features=128 * 4 * 4,  # 输入维度（卷积层输出的特征数）out_features=512          # 输出维度（隐藏层神经元数）)# Dropout层：训练时随机丢弃50%神经元，防止过拟合self.dropout = nn.Dropout(p=0.5)# 输出层：将512维特征映射到10个类别（CIFAR-10的类别数）self.fc2 = nn.Linear(in_features=512, out_features=10)def forward(self, x):# 输入尺寸：[batch_size, 3, 32, 32]（batch_size=批量大小，3=通道数，32x32=图像尺寸）# ---------- 卷积块1处理 ----------x = self.conv1(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 32, 32, 32]（padding=1保持尺寸）x = self.bn1(x)         # 批量归一化，不改变尺寸x = self.relu1(x)       # 激活函数，不改变尺寸x = self.pool1(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 32, 16, 16]（32→16是因为池化窗口2x2）# ---------- 卷积块2处理 ----------x = self.conv2(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 64, 16, 16]（padding=1保持尺寸）x = self.bn2(x)x = self.relu2(x)x = self.pool2(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 64, 8, 8]# ---------- 卷积块3处理 ----------x = self.conv3(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 128, 8, 8]（padding=1保持尺寸）x = self.bn3(x)x = self.relu3(x)x = self.pool3(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 128, 4, 4]# ---------- 展平与全连接层 ----------# 将多维特征图展平为一维向量：[batch_size, 128*4*4] = [batch_size, 2048]x = x.view(-1, 128 * 4 * 4)  # -1自动计算批量维度，保持批量大小不变x = self.fc1(x)           # 全连接层：2048→512，尺寸变为[batch_size, 512]x = self.relu3(x)         # 激活函数（复用relu3，与卷积块3共用）x = self.dropout(x)       # Dropout随机丢弃神经元，不改变尺寸x = self.fc2(x)           # 全连接层：512→10，尺寸变为[batch_size, 10]（未激活，直接输出logits）return x  # 输出未经过Softmax的logits，适用于交叉熵损失函数# 初始化模型
model = CNN()
model = model.to(device)  # 将模型移至GPU（如果可用）

以CIFAR-10为例

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# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"使用设备: {device}")# 1. 数据预处理
# 训练集：使用多种数据增强方法提高模型泛化能力
train_transform = transforms.Compose([# 随机裁剪图像，从原图中随机截取32x32大小的区域transforms.RandomCrop(32, padding=4),# 随机水平翻转图像（概率0.5）transforms.RandomHorizontalFlip(),# 随机颜色抖动：亮度、对比度、饱和度和色调随机变化transforms.ColorJitter(brightness=0.2, contrast=0.2, saturation=0.2, hue=0.1),# 随机旋转图像（最大角度15度）transforms.RandomRotation(15),# 将PIL图像或numpy数组转换为张量transforms.ToTensor(),# 标准化处理：每个通道的均值和标准差，使数据分布更合理transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 测试集：仅进行必要的标准化，保持数据原始特性，标准化不损失数据信息，可还原
test_transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 2. 加载CIFAR-10数据集
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=train_transform  # 使用增强后的预处理
)test_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=False,transform=test_transform  # 测试集不使用增强
)# 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CNN模型的定义（替代原MLP）
class CNN(nn.Module):def __init__(self):super(CNN, self).__init__()  # 继承父类初始化# ---------------------- 第一个卷积块 ----------------------# 卷积层1：输入3通道（RGB），输出32个特征图，卷积核3x3，边缘填充1像素self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3,       # 输入通道数（图像的RGB通道）out_channels=32,     # 输出通道数（生成32个新特征图）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸（3x3像素）padding=1            # 边缘填充1像素，保持输出尺寸与输入相同)# 批量归一化层：对32个输出通道进行归一化，加速训练，提高稳定性self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_features=32)# ReLU激活函数：引入非线性，公式：max(0, x)self.relu1 = nn.ReLU()# 最大池化层：窗口2x2，步长2，特征图尺寸减半（32x32→16x16）self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)  # stride默认等于kernel_size# ---------------------- 第二个卷积块 ----------------------# 卷积层2：输入32通道（来自conv1的输出），输出64通道self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=32,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=64,     # 输出通道数（特征图数量翻倍）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸不变padding=1            # 保持尺寸：16x16→16x16（卷积后）→8x8（池化后）)self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_features=64)self.relu2 = nn.ReLU()self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：16x16→8x8# ---------------------- 第三个卷积块 ----------------------# 卷积层3：输入64通道，输出128通道self.conv3 = nn.Conv2d(in_channels=64,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=128,    # 输出通道数（特征图数量再次翻倍）kernel_size=3,padding=1            # 保持尺寸：8x8→8x8（卷积后）→4x4（池化后）)self.bn3 = nn.BatchNorm2d(num_features=128)self.relu3 = nn.ReLU()  # 复用激活函数对象（节省内存）self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：8x8→4x4# ---------------------- 全连接层（分类器） ----------------------# 计算展平后的特征维度：128通道 × 4x4尺寸 = 128×16=2048维self.fc1 = nn.Linear(in_features=128 * 4 * 4,  # 输入维度（卷积层输出的特征数）out_features=512          # 输出维度（隐藏层神经元数）)# Dropout层：训练时随机丢弃50%神经元，防止过拟合self.dropout = nn.Dropout(p=0.5)# 输出层：将512维特征映射到10个类别（CIFAR-10的类别数）self.fc2 = nn.Linear(in_features=512, out_features=10)def forward(self, x):# 输入尺寸：[batch_size, 3, 32, 32]（batch_size=批量大小，3=通道数，32x32=图像尺寸）# ---------- 卷积块1处理 ----------x = self.conv1(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 32, 32, 32]（padding=1保持尺寸）x = self.bn1(x)         # 批量归一化，不改变尺寸x = self.relu1(x)       # 激活函数，不改变尺寸x = self.pool1(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 32, 16, 16]（32→16是因为池化窗口2x2）# ---------- 卷积块2处理 ----------x = self.conv2(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 64, 16, 16]（padding=1保持尺寸）x = self.bn2(x)x = self.relu2(x)x = self.pool2(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 64, 8, 8]# ---------- 卷积块3处理 ----------x = self.conv3(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 128, 8, 8]（padding=1保持尺寸）x = self.bn3(x)x = self.relu3(x)x = self.pool3(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 128, 4, 4]# ---------- 展平与全连接层 ----------# 将多维特征图展平为一维向量：[batch_size, 128*4*4] = [batch_size, 2048]x = x.view(-1, 128 * 4 * 4)  # -1自动计算批量维度，保持批量大小不变x = self.fc1(x)           # 全连接层：2048→512，尺寸变为[batch_size, 512]x = self.relu3(x)         # 激活函数（复用relu3，与卷积块3共用）x = self.dropout(x)       # Dropout随机丢弃神经元，不改变尺寸x = self.fc2(x)           # 全连接层：512→10，尺寸变为[batch_size, 10]（未激活，直接输出logits）return x  # 输出未经过Softmax的logits，适用于交叉熵损失函数# 初始化模型
model = CNN()
model = model.to(device)  # 将模型移至GPU（如果可用）# 5. 训练模型（记录每个 iteration 的损失）
def train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, scheduler, 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# 记录每个 epoch 的准确率和损失train_acc_history = []test_acc_history = []train_loss_history = []test_loss_history = []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 / totaltrain_acc_history.append(epoch_train_acc)train_loss_history.append(epoch_train_loss)# 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_testtest_acc_history.append(epoch_test_acc)test_loss_history.append(epoch_test_loss)# 更新学习率调度器scheduler.step(epoch_test_loss)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)# 绘制每个 epoch 的准确率和损失曲线plot_epoch_metrics(train_acc_history, test_acc_history, train_loss_history, test_loss_history)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. 绘制每个 epoch 的准确率和损失曲线
def plot_epoch_metrics(train_acc, test_acc, train_loss, test_loss):epochs = range(1, len(train_acc) + 1)plt.figure(figsize=(12, 4))# 绘制准确率曲线plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot(epochs, train_acc, 'b-', label='训练准确率')plt.plot(epochs, test_acc, 'r-', label='测试准确率')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('准确率 (%)')plt.title('训练和测试准确率')plt.legend()plt.grid(True)# 绘制损失曲线plt.subplot(1, 2, 2)plt.plot(epochs, train_loss, 'b-', label='训练损失')plt.plot(epochs, test_loss, 'r-', label='测试损失')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('损失值')plt.title('训练和测试损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 8. 执行训练和测试
epochs = 20  # 增加训练轮次以获得更好效果
print("开始使用CNN训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, scheduler, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")# # 保存模型
# torch.save(model.state_dict(), 'cifar10_cnn_model.pth')
# print("模型已保存为: cifar10_cnn_model.pth")