Linux下利用PyTorch对回归与分类任务进行深度学习的脚本

冰释之川 · 发表于 Post on 2022-12-15 20:09:16

本帖最后由冰释之川于 2022-12-30 18:04 编辑

相关机器学习的帖子：

《Linux下Scikit-learn机器学习实例脚本》（http://bbs.keinsci.com/thread-30547-1-1.html）
《Linux下利用SHAP对机器学习模型进行合理解释》（http://bbs.keinsci.com/thread-30780-1-1.html）

本文简单介绍了如何利用PyTorch进行神经网络建模与训练，这里感谢mizu-bai同学提供的PIP-NN训练教程(https://github.com/mizu-bai/PIP-NN-PyTorch-Tutorial)

本脚本将涉及到如下几个方面的代码编写与应用(以回归任务为例)：
(1)神经网络在PyTorch中的定义(涉及到python中的class概念)
(2)将初始的Dataframe架构的数据转换成DataLoader可识别的格式
(3)数据的缩放(利用scikit-learn包辅助实现)
(4)神经网络训练过程与验证过程
(5)交叉验证策略的实现形式(数据集划分部分利用scikit-learn包辅助实现)
(6)最佳模型的保存与加载
(7)回归模型的常用评价指标(利用scikit-learn包辅助实现)

一、脚本依赖包清单

二、在PyTorch中定义神经网络

__init__函数初始化神经网络，其中num_features代表数据集里输入变量X的维度(总特征数量)
forward()函数用于调用__init__中的layer_stack对象，输出预测的y值

三、在PyTorch中进行数据集格式转换

在这里我提供的数据集的初始格式为DataFrame和Series，利用该class对数据格式进行转换，使之适应PyTorch中的DataLoader工具

四、数据缩放

数据处理是整个深度学习的一个重要的组成部分，这里简单示范一下如何对所有的X特征量进行缩放。
缩放的时候要注意的一点是：对scaler进行拟合的时候一定一定要用训练集数据(不要用训练+测试整个数据集)，以防数据泄露，使得最终建立的模型表现过于乐观。
然后利用transform()方法分别对训练集与测试集进行缩放

五、数据分割

六、神经网络训练过程

这里预先定义了损失函数，优化器算法以及利用ReduceLROnPlateau对学习率进行自动调控
红框子里的5行代码是核心代码，分别代表(1)计算预测值; (2)计算损失函数；(3)对优化器上一轮保留的梯度信息进行清零；(4)计算梯度并进行反向传播; (5)根据梯度来更新权重参数

七、神经网络验证过程

验证过程相对比较简单，利用model.eval()切换到验证模式，然后为了节约计算时间，关闭验证过程中的梯度计算功能，最后得到验证集下的损失函数值

八、利用训练集对模型进行K折交叉验证

交叉验证是充分利用训练集进行机器学习一种常用策略，这里借用scikit-learn包里的工具对训练集进行划分，然后对计算的损失函数值进行平均
不了解交叉验证的同学，参看下面的简介后肯定秒懂了

九、利用测试集对最佳的神经网络模型进行泛化能力评估

最后对最佳的模型(所有Epoch中平均loss最低的Epoch对应的模型)进行进行泛化能力评估，主要衡量指标为 MSE， MAE，以及R方

最后附上脚本运行过程的输出信息作为参考：

脚本与数据集下载：

PyTorch.7z (200.98 KB, 下载次数 Times of downloads: 144) (2022.12.30 更新)

冰释之川 · 发表于 Post on 2023-1-20 17:51:48

madhatter 发表于 2023-1-20 15:10
有个疑问，学校有matlab最近有沙龙教学用matlab 做机器学习，想问下如果使用matlab的机器学习能否达到一些 ...

没用过MATLAB，不过只要顺手，都能进行批量计算

madhatter · 发表于 Post on 2023-1-20 15:10:45

有个疑问，学校有matlab最近有沙龙教学用matlab 做机器学习，想问下如果使用matlab的机器学习能否达到一些高通量筛选之类的计算

xvguang · 发表于 Post on 2023-1-12 14:36:02

我是真想好好学习啊

红米饭1234 · 发表于 Post on 2022-12-18 15:10:01

太厉害了，学习了！

luwis · 发表于 Post on 2022-12-17 11:01:17

冰释之川发表于 2022-12-17 10:20
bug已修复，请下载最新版

测试成功。谢谢冰大佬。
感觉不搞机器学习，就是错过了一个时代。
我的困惑是，我能力最多是跟随应用，做不多啥有价值的东西。
冰大佬，请您说说机器学习的不足主要在哪些方面？如果想搞机器学习的话，我们在哪些方面喝点汤？
大家都来说说呗。谢谢！

冰释之川 · 发表于 Post on 2022-12-17 10:20:57

luwis 发表于 2022-12-17 03:35
**** 本内容被作者隐藏 ****

bug已修复，请下载最新版

冰释之川 · 发表于 Post on 2022-12-17 07:40:44

本帖最后由冰释之川于 2022-12-17 09:41 编辑

luwis 发表于 2022-12-17 03:35
**** 本内容被作者隐藏 ****

脚本里自动判断是否有cuda，有的话直接启用gpu了才对。我一会再检查一下问题所在，感谢反馈bug

luwis · 发表于 Post on 2022-12-17 03:35:54

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[Python] Linux下利用PyTorch对回归与分类任务进行深度学习的脚本

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