人工智能算法工程师(中级)课程9-PyTorch神经网络之全连接神经网络实战与代码详解

大家好，我是微学AI，今天给大家介绍一下人工智能算法工程师(中级)课程9-PyTorch神经网络之全连接神经网络实战与代码详解。本文将给大家展示全连接神经网络与代码详解，包括全连接模型的设计、数学原理介绍，并从手写数字识别到猫狗识别实战演练。

一、引言

全连接神经网络（Fully Connected Neural Network，FCNN）是一种经典的神经网络结构，它在众多领域都有着广泛的应用。本文将详细介绍全连接神经网络的设计、参数计算及其在图像识别任务中的应用。通过本文的学习，读者将掌握全连接神经网络的基本原理，并能够实现手写数字识别和猫狗识别等实战项目。

二、全连接模型的设计

1. 神经元模型

全连接神经网络的基本单元是神经元，其数学表达式为：
$$f(x)=\sigma (\sum _{i=1}^n{w}_i{x}_i+b)$$
其中，$x$ 为输入向量，$w$ 为权重向量，$b$ 为偏置，$\sigma$ 为激活函数。

2. 网络结构

全连接神经网络由输入层、隐藏层和输出层组成。每一层的神经元都与上一层的所有神经元相连，如图1所示。

三、全连接模型的参数计算

1. 前向传播

假设一个全连接神经网络共有$l$层，第$k$层的输入为$X^{(k)}$，输出为$Y^{(k)}$，则有：
$$Y^{(k)}=\sigma (W^{(k)}{X}^{(k)}+b^{(k)})$$
其中，$W^{(k)}$ 和 $b^{(k)}$ 分别为第$k$层的权重和偏置。

2. 反向传播

全连接神经网络的参数更新通过反向传播算法实现。对于输出层，损失函数为：
$$L=\frac{1}{2}(Y_{true}-Y_{pred}{)}^2$$
其中，$Y_{true}$ 为真实标签，$Y_{pred}$ 为预测值。
根据链式法则，输出层的权重梯度为：
$$\frac{\partial L}{\partial W^{(l)}}=\frac{\partial L}{\partial Y^{(l)}}\cdot \frac{\partial Y^{(l)}}{\partial Z^{(l)}}\cdot \frac{\partial Z^{(l)}}{\partial W^{(l)}}$$
其中，$Z^{(l)}=W^{(l)}{X}^{(l)}+b^{(l)}$。
同理，可求得输出层的偏置梯度、隐藏层的权重梯度和偏置梯度。

四、全连接模型实现手写数字识别

1. 数据准备

使用MNIST数据集，包含60000个训练样本和10000个测试样本。

2. 模型构建

构建一个简单的全连接神经网络，包含一个输入层（784个神经元）、两个隐藏层（128个神经元）和一个输出层（10个神经元）。

3. 代码实现

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader

# 定义模型
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Flatten(),
            nn.Linear(28*28, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 10),
            nn.Softmax(dim=1)
        )

    def forward(self, x):
        return self.model(x)

# 加载数据
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)

test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
test_dataloader = DataLoader(test_dataset, batch_size=32, shuffle=True)

# 初始化模型和优化器
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = Net().to(device)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# 训练模型
for epoch in range(5):
    for i, (images, labels) in enumerate(dataloader):
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        outputs = model(images)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

# 评估模型
correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():
    for images, labels in test_dataloader:
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)
        outputs = model(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % (100 * correct / total))

五、阶段实战：猫狗识别

1. 数据准备

使用猫狗数据集，包含25000张猫和狗的图片。我们将猫和狗的照片放在目录’data/train’下。

2. 模型构建

构建一个全连接神经网络，包含一个输入层（64643个神经元）、三个隐藏层（256、128、64个神经元）和一个输出层（2个神经元）。

3. 代码实现

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader

# 定义数据预处理
data_transforms = transforms.Compose([
    transforms.Resize((64, 64)),
    transforms.RandomRotation(40),
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    transforms.RandomVerticalFlip(),
    transforms.RandomAffine(0, translate=(0.2, 0.2), scale=(0.8, 1.2)),
    transforms.ToTensor(),
])

# 加载数据
train_dataset = datasets.ImageFolder('data/train', transform=data_transforms)
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=32, shuffle=True)

# 定义模型
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Flatten(),
            nn.Linear(64*64*3, 256),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(256, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 64),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(64, 1),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        return self.model(x)

# 初始化模型和优化器
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = Net().to(device)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
criterion = nn.BCELoss()

# 训练模型
for epoch in range(15):
    for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
        images, labels = images.to(device), labels.float().unsqueeze(1).to(device)
        optimizer.zero_grad()
        outputs = model(images)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

# 评估模型
# 假设有一个测试数据集的加载器叫做 validation_loader
correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():
    for images, labels in validation_loader:
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)
        outputs = model(images)
        predicted = (outputs > 0.5).float()
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()
print('Accuracy of the network on the test images: %d %%' % (100 * correct / total))

六、数学原理详解

1. 激活函数

激活函数用于引入非线性因素，使得神经网络能够学习和模拟复杂函数。常用的激活函数有：

• Sigmoid函数：$\sigma (x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$
• ReLU函数：$ReLU(x)=\max (0,x)$
• Softmax函数：$softmax(x{)}_i=\frac{e^{x_i}}{{\sum }_j{e}^{x_j}}$

2. 损失函数

损失函数用于衡量模型预测值与真实值之间的差异。常用的损失函数有：

• 均方误差（MSE）：$MSE(y,\hat{y})=\frac{1}{n}{\sum }_{i=1}^n(y_i-{\hat{y}}_i{)}^2$
• 交叉熵损失：对于二分类问题，$CE(y,\hat{y})=-y\log (\hat{y})-(1-y)\log (1-\hat{y})$

3. 优化算法

优化算法用于更新网络的权重和偏置，以最小化损失函数。常用的优化算法有：

• 梯度下降（Gradient Descent）：$w:=w-\alpha \frac{\partial L}{\partial w}$
• Adam优化器：结合了动量（Momentum）和自适应学习率（Adagrad）的优点。

七、总结

本篇文章从全连接神经网络的基本原理出发，介绍了全连接模型的设计、参数计算以及如何实现手写数字识别和猫狗识别。通过配套的完整可运行代码，读者可以更好地理解全连接神经网络的实现过程。在实际应用中，全连接神经网络虽然已被卷积神经网络（CNN）等更先进的网络结构所取代，但其基本原理仍然是深度学习领域的重要基石。希望本文能帮助读者深入掌握全连接神经网络，并为后续学习打下坚实的基础。