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前言

LeNet是最早发布的卷积神经网络之一。该模型被提出用于识别图像中的手写数字。

LeNet

LeNet-5由以下两个部分组成

• 卷积编码器（2）
• 全连接层（3）
  卷积块由一个卷积层、一个sigmoid激活函数和一个平均汇聚层组成。
  第一个卷积层有6个输出通道，第二个卷积层有16个输出通道。采用2×2的汇聚操作，且步幅为2.
  3个全连接层分别有120，84，10个输出。
  此处对原始模型做出部分修改，去除最后一层的高斯激活。

net=nn.Sequential(nn.Conv2d(1,6,kernel_size=5,padding=2),nn.Sigmoid(),nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),nn.Conv2d(6,16,kernel_size=5),nn.Sigmoid(),nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),nn.Flatten(),nn.Linear(16*5*5,120),nn.Sigmoid(),nn.Linear(120,84),nn.Sigmoid(),nn.Linear(84,10))

模型训练

为了加快训练，使用GPU计算测试集上的精度以及训练过程中的计算。
此处采用xavier初始化模型参数以及交叉熵损失函数和小批量梯度下降。

batch_size=256
train_iter,test_iter=data_iter.load_data_fashion_mnist(batch_size)

将数据送入GPU进行计算测试集准确率

def evaluate_accuracy_gpu(net,data_iter,device=None):"""使用GPU计算模型在数据集上的精度"""if isinstance(net,torch.nn.Module):net.eval()if not device:device=next(iter(net.parameters())).device# 正确预测的数量，预测的总数eva = 0.0y_num = 0.0with torch.no_grad():for X,y in data_iter:if isinstance(X,list):X=[x.to(device) for x in X]else:X=X.to(device)y=y.to(device)eva += accuracy(net(X), y)y_num += y.numel()return eva/y_num

训练过程同样将数据送入GPU计算

def train_epoch_gpu(net, train_iter, loss, updater,device):# 训练损失之和，训练准确数之和，样本数train_loss_sum = 0.0train_acc_sum = 0.0num_samples = 0.0# timer = d2l.torch.Timer()for i, (X, y) in enumerate(train_iter):# timer.start()updater.zero_grad()X, y = X.to(device), y.to(device)y_hat = net(X)l = loss(y_hat, y)l.backward()updater.step()with torch.no_grad():train_loss_sum += l * X.shape[0]train_acc_sum += evaluation.accuracy(y_hat, y)num_samples += X.shape[0]# timer.stop()return train_loss_sum/num_samples,train_acc_sum/num_samplesdef train_gpu(net,train_iter,test_iter,num_epochs,lr,device):def init_weights(m):if type(m)==torch.nn.Linear or type(m)==torch.nn.Conv2d:torch.nn.init.xavier_uniform_(m.weight)net.apply(init_weights)net.to(device)print('training on',device)optimizer=torch.optim.SGD(net.parameters(),lr=lr)loss=torch.nn.CrossEntropyLoss()# num_batches=len(train_iter)tr_l=[]tr_a=[]te_a=[]for epoch in range(num_epochs):net.train()train_metric=train_epoch_gpu(net,train_iter,loss,optimizer,device)test_accuracy = evaluation.evaluate_accuracy_gpu(net, test_iter)train_loss, train_acc = train_metrictrain_loss = train_loss.cpu().detach().numpy()tr_l.append(train_loss)tr_a.append(train_acc)te_a.append(test_accuracy)print(f'epoch: {epoch + 1}, train_loss: {train_loss}, train_acc: {train_acc}, test_acc:{test_accuracy}')x = torch.arange(num_epochs)plt.plot((x + 1), tr_l, '-', label='train_loss')plt.plot(x + 1, tr_a, '--', label='train_acc')plt.plot(x + 1, te_a, '-.', label='test_acc')plt.legend()plt.show()print(f'on {str(device)}')

lr,num_epochs=0.9,10
Train.train_gpu(net,train_iter,test_iter,num_epochs,lr,device='cuda')