Pytorch中的自動求導函數backward()所需參數含義


摘要:一個神經網絡有N個樣本,經過這個網絡把N個樣本分為M類,那么此時backward參數的維度應該是【N X M】

 

 

正常來說backward()函數是要傳入參數的,一直沒弄明白backward需要傳入的參數具體含義,但是沒關系,生命在與折騰,咱們來折騰一下,嘿嘿。


 

 

首先,如果out.backward()中的out是一個標量的話(相當於一個神經網絡有一個樣本,這個樣本有兩個屬性,神經網絡有一個輸出)那么此時我的backward函數是不需要輸入任何參數的。

    

運行結果:

   

不難看出,我們構建了這樣的一個函數:

     

所以其求導也很容易看出:

    

這是對其進行標量自動求導的結果


 

如果out.backward()中的out是一個向量(或者理解成1xN的矩陣)的話,我們對向量進行自動求導,看看會發生什么?

先構建這樣的一個模型(相當於一個神經網絡有一個樣本,這個樣本有兩個屬性,神經網絡有兩個輸出):

    

模型也很簡單,不難看出out求導出來的雅克比應該是:

   ,因為a1 = 2,a2 = 4,所以上面的矩陣應該是  

運行的結果:

   

嗯,的確是8和96,但是仔細想一想,和咱們想要的雅克比矩陣的形式也不一樣啊。難道是backward自動把0給省略了?

咱們繼續試試,這次在上一個模型的基礎上進行小修改,如下:

   

可以看出這個模型的雅克比應該是:

   

運行一下,看是不是:

   

等等,什么鬼?正常來說不應該是  [ [ 8 , 2 ] , [ 2 , 96 ] ]么?

我是誰?我再哪?

為什么就給我2個數,而且是  8 + 2 = 10 ,96 + 2 = 98 。難道都是加的 2 ?

想一想,剛才咱們backward中傳的參數是 [ [ 1 , 1 ] ],難道安裝這個關系對應求和了?

咱們換個參數來試一試,程序中只更改傳入的參數為[ [ 1 , 2 ] ]:

   

運行一下:

  

嗯,這回可以理解了,我們傳入的參數,是對原來模型正常求導出來的雅克比矩陣進行線性操作,可以把我們傳進的參數(設為arg)看成一個列向量,那么我們得到的結果就是(注意這里是矩陣乘法,為了好表示我用了*):

   ( Jacobi * arg )T

在這個題里,我們得到的實際是:

 

看起來一切完美的解釋了,但是就在我剛剛打字的一刻,我意識到官方文檔中說k.backward()傳入的參數應該和k具有相同的維度,所以如果按上述去解釋是解釋不通的。

哪里出問題了呢?

仔細看了一下,原來是這樣的:在對雅克比矩陣進行線性操作的時候,應該把我們傳進的參數(設為arg)看成一個行向量(不是列向量),那么我們得到的結果就是(注意這里是矩陣乘法,為了好表示我用了*):

    ( arg * Jacobi )T

   

 這回我們就解釋的通了。

現在我們來輸出一下雅克比矩陣吧,為了不引起歧義,我們讓雅克比矩陣的每個數值都不一樣(一開始分析錯了就是因為雅克比矩陣中有相同的數據),所以模型小改動如下:

如果沒問題的話咱們的雅克比矩陣應該是 [ [ 8 , 2 ] , [ 4 , 96 ] ]

好了,下面是見證奇跡的時刻了,不要眨眼睛奧,千萬不要眨眼睛......

3

2

1

砰............

好了,現在總結一下:因為經過了復雜的神經網絡之后,out中每個數值都是由很多輸入樣本的屬性(也就是輸入數據)線性或者非線性組合而成的,那么out中的每個數值和輸入數據的每個數值都有關聯,也就是說【out】中的每個數都可以對【a】中每個數求導,那么我們backward()的參數[k1,k2,k3....kn]的含義就是:

   

也可以理解成每個out分量對an求導時的權重。


現在,如果out是一個矩陣呢?

下面的例子也可以理解為:相當於一個神經網絡有兩個樣本,每個樣本有兩個屬性,神經網絡有兩個輸出.

      

如果前面的例子理解了,那么這個也很好理解,backward輸入的參數k是一個2x1的矩陣,2代表的就是樣本數量,就是在前面的基礎上,再對每個樣本進行加權求和。

結果是:

     

如果有興趣,也可以拓展一下多個樣本的多分類問題,猜一下k的維度應該是【輸入樣本的個數 X 分類的個數】

好啦,糾結我好久的pytorch自動求導原理算是徹底搞懂啦~~~

 


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