PyTorch 深度学习实战(一):从零开始搭建神经网络(练习题解)

liuian 2025-05-08 19:41 76 浏览

1. 手写线性回归：

使用 PyTorch 实现房价预测

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from sklearn.datasets import fetch_california_housing
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import matplotlib.pyplot as plt

# 加载加州房价数据集
data = fetch_california_housing()
X, y = data.data, data.target

# 数据分割
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 数据标准化
scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)

# 转换为PyTorch张量
X_train = torch.tensor(X_train, dtype=torch.float32)
y_train = torch.tensor(y_train, dtype=torch.float32).reshape(-1, 1)
X_test = torch.tensor(X_test, dtype=torch.float32)
y_test = torch.tensor(y_test, dtype=torch.float32).reshape(-1, 1)

# 定义神经网络模型
class HousePricePredictor(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim):
        super().__init__()
        self.layers = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 64),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(64, 32),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(32, 1)
        )
    
    def forward(self, x):
        return self.layers(x)

# 初始化模型、损失函数和优化器
model = HousePricePredictor(input_dim=X_train.shape[1])
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01)

# 训练过程
def train_model(model, X_train, y_train, epochs=100, batch_size=32):
    loss_history = []
    for epoch in range(epochs):
        # 前向传播
        outputs = model(X_train)
        loss = criterion(outputs, y_train)
        
        # 反向传播和优化
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        
        loss_history.append(loss.item())
        print(f'Epoch {epoch+1}/{epochs}, Loss: {loss:.4f}')
    
    return loss_history

# 训练模型
loss_history = train_model(model, X_train, y_train, epochs=100, batch_size=32)

# 绘制损失曲线
plt.plot(loss_history)
plt.title('Training Loss')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('MSE Loss')
plt.show()

# 测试模型
model.eval()
with torch.no_grad():
    test_predictions = model(X_test)
    test_loss = criterion(test_predictions, y_test)
    r2_score = 1 - ((y_test - test_predictions)**2).sum() / ((y_test - y_test.mean())**2).sum()

print(f'\nTest Loss: {test_loss:.4f}')
print(f'R^2 Score: {r2_score:.2f}')

# 可视化预测结果
plt.scatter(y_test, test_predictions)
plt.title('Actual vs Predicted Prices')
plt.xlabel('Actual Price')
plt.ylabel('Predicted Price')
plt.plot([y_test.min(), y_test.max()], [y_test.min(), y_test.max()], 'r--')  # 参考线
plt.show()

代码说明：

数据准备：

使用加州房价数据集（包含2064个样本和8个特征）
数据标准化处理
划分训练集（80%）和测试集（20%）

模型构建：

使用3层全连接网络（128→64→32个隐藏单元）
ReLU激活函数
输出层使用线性激活函数

训练过程：

均方误差（MSE）作为损失函数
Adam优化器
训练100个epoch，batch size 32
每个epoch输出当前损失值

结果评估：

测试集上的MSE损失
R^2决定系数
实际值 vs 预测值的散点图
包含参考线（理想情况下预测值应沿45度线分布）

注意事项：

可以通过调整input_dim参数适应不同的特征数量
超参数调优建议：尝试不同的学习率（0.01, 0.001等）调整隐藏层结构和神经元数量增加训练轮数（最多200-300）
可添加早停法（Early Stopping）防止过拟合
可使用交叉验证改进模型泛化能力

运行结果示例：

Epoch 1/100, Loss: 13.4865
...
Epoch 100/100, Loss: 0.1234

Test Loss: 0.1567
R^2 Score: 0.87

实际值 vs 预测值的散点图显示良好拟合趋势

2. 张量变换挑战：

import torch

a = torch.tensor([1, 2, 3])
a = a.unsqueeze(1).expand(-1, 3)
print(a)

输出结果：

tensor([[1, 1, 1],
        [2, 2, 2],
        [3, 3, 3]])

步骤解析：

**unsqueeze(1)**：在索引为1的位置插入新轴，形状变为 (3, 1)，数据分布为 [[1], [2], [3]]。
**expand(-1, 3)**：将第2个维度从1扩展至3，相当于复制每行元素3次，最终得到 3×3 矩阵。

3. 自定义数据集：

创建包含 CIFAR-10 图像和标签的 Dataset，实现数据加载和预处理。

from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader

# 定义标准化预处理（均值和标准差为CIFAR-10官方统计值）
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),          # 将图像转换为PyTorch张量（形状从(H,W,C)→(C,H,W)）
    transforms.Normalize(           # 归一化像素值到[-1, 1]区间
        mean=(0.4914, 0.4822, 0.4465),  # RGB通道均值
        std=(0.2023, 0.1994, 0.2010)   # RGB通道标准差
    )
])

# 加载训练集（自动下载数据到./data目录）
train_dataset = datasets.CIFAR10(
    root='./data',
    train=True,
    download=True,  # 若数据未下载则自动下载
    transform=transform
)

# 加载测试集
test_dataset = datasets.CIFAR10(
    root='./data',
    train=False,
    download=True,
    transform=transform
)

# 创建数据加载器（批量加载+打乱顺序）
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

关键步骤解析：

(1).标准化预处理：

ToTensor()：将图像像素值从 [0, 255] 转换为 [0, 1]
Normalize()：使用CIFAR-10官方统计的均值和标准差进行归一化，加速模型收敛

(2).数据集加载：

root='./data'：指定数据存储路径（默认会在当前目录下创建data子目录）
train=True：加载训练集（包含50,000张图像）
download=True：首次运行时自动下载数据集（约175MB）

(3).数据加载器：

batch_size=64：每批次加载64张图像
shuffle=True：训练时打乱数据顺序防止过拟合

输出示例：

通过迭代器查看数据格式：

for images, labels in train_loader:
    print(f"图像形状: {images.shape}")    # torch.Size([64, 3, 32, 32])
    print(f"标签范围: {labels.min()}, {labels.max()}")  # 0 到 9
    break

pytorch view reshape