PyTorch中的参数类torch.nn.Parameter()详解

什么是torch.nn.Parameter()？

torch.nn.Parameter()类是Tensor的子类，用于在神经网络中定义可学习的参数。在定义神经网络模型时，我们通常需要考虑模型的参数这一概念。但是仅仅声明一个带参数的函数是远远不够的，这种方式使用的变量是普通的Python变量，而不是网络定义中的参数（参数必须是能够被自动求导并进行梯度下降优化的变量）。

Parameter是一种高效的、包含梯度信息的可优化的Tensor。它被设计用于在深度学习框架中方便地添加并优化参数。

如何使用torch.nn.Parameter()？

使用Parameter类定义网络参数的过程非常简单，我们只需要将需要定义为网络参数的张量转化为Parameter对象即可。可以像下面这样定义：

import torch.nn as nn
import torch

weight = torch.rand(3, 5)
bias = torch.rand(1, 3)

linear = nn.Linear(5, 3)

# 将weight和bias转化为Parameter对象，使其成为可训练参数
linear.weight = nn.Parameter(weight)
linear.bias = nn.Parameter(bias)

在上面示例中，我们首先通过torch.rand()函数生成两个随机张量weight和bias，并使用nn.Linear(5, 3)定义了一个线性层linear。将weight和bias转化为Parameter对象之后，它们就可以被认为是网络中的可训练参数了。

参数的初始化

在深度学习中，参数的选择和初始化是极其重要的，因为它会直接影响最终的算法表现。通常，需要使用合适的初始化方法为参数赋初值，这样可以加速模型的收敛和增加模型的精度。Parameter类提供了许多常用的初始化方法，如下面的示例：

import torch.nn.init as init

weight = torch.empty(3, 5)
bias = torch.empty(1, 3)

# 使用正态分布（均值为0，标准差为0.02）初始化weight
init.xavier_normal_(weight)

# 使用常量初始化bias
init.constant_(bias, 0.1)

linear = nn.Linear(5, 3)

# 将weight和bias转化为Parameter对象，使其成为可训练参数
linear.weight = nn.Parameter(weight)
linear.bias = nn.Parameter(bias)

示例1：自定义模型

下面示例展示了如何定义自己的模型，并使用网络参数进行前向传播计算。

import torch.nn as nn
import torch

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear1 = nn.Linear(784, 128)
        self.linear2 = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.linear1(x)
        x = nn.functional.relu(x)
        x = self.linear2(x)
        return x

# 使用自定义模型进行前向传播计算
net = Net()

input = torch.randn(16, 784)
output = net(input)
print(output.shape)

在上面的示例中，我们自定义了一个网络模型Net，该模型包含两个线性层，并使用nn.functional.relu()作为激活函数。在定义模型时，我们使用了nn.Linear构造函数创建了两个线性层。在前向传播计算时，我们使用自定义模型Net并传入一个16×784的张量input进行计算，并打印输出形状output.shape。

示例2：手动更新参数

下面示例展示了如何手动更新网络参数。

import torch.nn as nn
import torch

linear = nn.Linear(1, 1)

# 将weight和bias转化为Parameter对象，使其成为可训练参数
linear.weight = nn.Parameter(torch.tensor([[0.5]]))
linear.bias = nn.Parameter(torch.tensor([[-0.5]]))

# 手动更新参数
optimizer = torch.optim.SGD(linear.parameters(), lr=0.01)
for i in range(100):
    x = torch.tensor([[2.0]])
    y = linear(x)
    loss = nn.functional.mse_loss(y, torch.tensor([[0.0]]))

    print("before step {}: w={}, b={}, loss={}".format(i, linear.weight.data, linear.bias.data, loss))

    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

在上面示例中，我们使用nn.Linear(1, 1)定义一个线性层，并手动设置其权重和偏置项。在后面的循环中，我们手动进行参数更新，使用torch.optim.SGD()定义了一个梯度下降优化器，并设置学习率为0.01。每一步中，我们首先用已知的样本输入x计算输出值y并计算损失，然后使用backward()函数计算梯度并使用step()函数更新参数。最终，每一步结束后打印出参数及其对应的损失。