神经网络能学会简单的插值吗?

我尝试训练一个两层神经网络来进行一个离散函数的简单线性插值,我尝试了很多不同的学习率和不同的激活函数,但似乎没有任何东西被学到!

我已经花了整整6个小时试图调试以下代码,但似乎没有任何错误!这是怎么回事?

    from torch.utils.data import Dataset    import os    import torch    import numpy as np    import torch.nn as nn    import torch.optim as optim    import random    LOW_X=255    MID_X=40000    HIGH_X=200000    LOW_Y=torch.Tensor([0,0,1])    MID_Y=torch.Tensor([0.2,0.5,0.3])    HIGH_Y=torch.Tensor([1,0,0])    BATCH_SIZE=4    def x_to_tensor(x):        if x<=MID_X:            return LOW_Y+(x-LOW_X)*(MID_Y-LOW_Y)/(MID_X-LOW_X)        if x<=HIGH_X:            return MID_Y+(x-MID_X)*(HIGH_Y-MID_Y)/(HIGH_X-MID_X)        return HIGH_Y    class XYDataset(Dataset):        LENGTH=10000        def __len__(self):            return self.LENGTH        def __getitem__(self, idx):            x=random.randint(LOW_X,HIGH_X)            y=x_to_tensor(x)            return x,y    class Interpolate(nn.Module):        def __init__(self, num_outputs,hidden_size=10):            super(Interpolate, self).__init__()            self.hidden_size=hidden_size            self.x_to_hidden = nn.Linear(1, hidden_size)            self.hidden_to_out = nn.Linear(hidden_size,num_outputs)            self.activation = nn.Tanh() #我还尝试了Sigmoid和Relu激活函数            self.softmax=torch.nn.Softmax(dim=1)        def forward(self, x):            out = self.x_to_hidden(x)            out = self.activation(out)            out = self.hidden_to_out(out)            out = self.softmax(out)            return out    dataset=XYDataset()    trainloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset, batch_size=BATCH_SIZE,                                              shuffle=True, num_workers=4)    criterion= nn.MSELoss()    def train_net(net,epochs=10,lr=5.137871216190041e-05,l2_regularization=2.181622809797563e-12):            optimizer= optim.Adam(net.parameters(),lr=lr,weight_decay=l2_regularization)            net.train(True)            running_loss=0.0            for epoch in range(epochs):                for i,data in enumerate(trainloader):                    inputs,targets=data                    inputs,targets=torch.FloatTensor(inputs.float()).view(-1,1),torch.FloatTensor(targets.float())                    optimizer.zero_grad()                    outputs=net(inputs)                    loss=criterion(outputs,targets)                    loss.backward()                    optimizer.step()                    running_loss+=loss.item()                                  if (len(trainloader)*epoch+i)%200==199:                        running_loss=running_loss/(200*BATCH_SIZE)                        print('[%d,%5d] loss: %.6f ' % (epoch+1,i+1,running_loss))                        running_loss=0.0    for i in range(-11,3):        net=Interpolate(num_outputs=3)        train_net(net,lr=10**i,epochs=1)        print('对于学习率 {},网络在低 x 值上的输出为 {}'.format(i,net(torch.Tensor([255]).view(-1,1))))

回答:

虽然你的问题相当简单,但其缩放性很差:x的值从255到20万。这种缩放性差导致了数值不稳定性,并且整体上使训练过程不必要地不稳定。
要克服这个技术问题,你只需要将输入缩放到[-1, 1](或[0, 1])范围内即可。

请注意,这种缩放在深度学习中非常普遍:图像被缩放到[-1, 1]范围(例如,参见torchvision.transforms.Normalize)。
要更好地理解缩放响应的重要性,你可以查看这篇论文中的数学分析。

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