【pytorch】pytorch 自动求导、 Tensor 与 Autograd

在神经网络中，一个重要内容就是进行参数学习，而参数学习离不开求导。

现在大部分深度学习架构都有自动求导的功能，torch.autograd包 就是用来自动求导的。
torch.autograd 包为张量上 所有的操作 提供了自动求导功能

这一篇学习并记录一下 自动求导 的要点。

一、计算图

在整个向前计算过程中，PyTorch采用计算图的形式进行组织，该计算图为动态图，且在每次 前向传播时，将重新构建。其他深度学习架构，如TensorFlow、Keras一般为静态图。

• 计算图是一种有向无环图像，用图形方式来表示算子与变量之间的关系，直观高效。
• 图中 圆形表示变量，矩阵表示算子
• 表达式：z=wx+b，可写成两个表示式： y=wx，z=y+b，
  • 其中x、w、b为变量，是用户创建的变量，不依赖于其他变量，故又称 为叶子节点。为计算各叶子节点的梯度，需要把对应的张量参数requires_grad属性设置为 True，这样就可自动跟踪其历史记录。（后面会细说）
  • y、z 是计算得到的变量，非叶子节点，z为根节点
  • mul和add是算子（或操作或函数）

这些变量及算子就构成了一个完整的计算过程 （或前向传播过程）

---

二、自动求导要点

为实现对Tensor自动求导，需考虑如下事项：

1）创建叶子节点（Leaf Node）的Tensor，使用requires_grad参数指定是否记录对其 的操作，以便之后利用backward()方法进行梯度求解。requires_grad参数的缺省值为 False，如果要对其求导需设置为True，然后与之有依赖关系的节点会自动变为True。

2）可利用requires_grad_()方法修改Tensor的requires_grad属性（比如一开始在训练阶段，requires_grad 值设置为了True，在测试阶段修改为 False）。可以调用.detach()或 with torch.no_grad()：，将不再计算张量的梯度，跟踪张量的历史记录。这点在评估模 型、测试模型阶段中常常用到。

3）通过运算创建的Tensor（即非叶子节点），会自动被赋予grad_fn属性。该属性表 示梯度函数。叶子节点的grad_fn为None。

4）最后得到的Tensor（根节点）执行backward()函数，此时自动计算各变量的梯度。

• 每次反向传播结束，叶子结点的梯度会被清空。如果需要多次反向传播的梯度累加，需要指定backward 中的参数retain_graph=True，这样子节点的梯度是累加的。
• 非叶子节点的梯度backward调用后即被清空

5）backward()函数接收参数，该参数应和调用backward()函数的Tensor的维度相同， 或者是可broadcast的维度。如果求导的Tensor为标量（即一个数字），则backward中的参数可省略。

---

三、标量反向传播的计算

• 假设x、w、b都是标量，则计算结果 z 也是标量 （z=wx+b）
• 对根节点z调用backward()方法，我们无须对 backward()传入参数
  * 这里先提一嘴，后面会说到的是： 如果目标张量对一个非标量调用backward()，则需要传入一个 gradient参数，该参数也是张量，而且需要与调用backward()的张量形状相同。

以下是实现自动求导的主要步骤：

import torch

# 输入张量 x
x = torch.Tensor([2])

# 初始化 权重参数w, 偏移量b，并设置 require_grad 属性为 True, 为自动求导
w = torch.randn(1, requires_grad=True)
b = torch.randn(1, requires_grad=True)

# 实现向前传播
y = torch.mul(w, x)
z = torch.add(y, b)

# 分别查看叶子节点 x, w, b 和 非叶子节点 y、z 的require_grad属性
print(x.requires_grad, w.requires_grad, b.requires_grad)  # False True True
print(y.requires_grad, z.requires_grad )  # True True

# 查看各节点是否为叶子节点
print(x.is_leaf, w.is_leaf, b.is_leaf, y.is_leaf, z.is_leaf)  # True True True False False

# 分别查看 叶子节点 和 非叶子节点 的 grad_fn 属性
print(x.grad_fn, w.grad_fn, b.grad_fn)   # None None None
print(y.grad_fn, z.grad_fn)   # <MulBackward0 object at 0x7f8ac1303910> <AddBackward0 object at 0x7f8ac1303070>

z.backward()  # 梯度不会累加
# z.backward(retain_graph=True) # 如果多次使用backward，需要梯度累加，则需要修改参数retain_graph为True

# 查看叶子节点的梯度，x是叶子节点但它无须求导，故其梯度为None 
print(w.grad,b.grad,x.grad)  # tensor([2.]) tensor([1.]) None

#非叶子节点的梯度，执行backward之后，会自动清空 
print(y.grad,z.grad)  # None None

---

四、非标量反向传播的计算