pytorch 模拟关系拟合——回归实例

1. 概述

回归是机器学习重要的算法之一，其主要任务是通过样本数据拟合出一个函数来逼近真实的关系。在本文中，我们将会使用PyTorch模拟一个回归例子，以加深对于回归算法的理解。

2. 数据准备

本例中使用的是PyTorch内置的Boston Housing数据集，该数据集共有506个样本，每个样本包含13个特征和1个目标值（即房价）。我们将使用该数据集来拟合房价与其他13个特征之间的关系。

首先，需要导入数据集并将其分为训练集和测试集。

import torch
from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.model_selection import train_test_split
# 载入数据集
data = load_boston()
# 分割数据集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(data.data, data.target, test_size=0.2, random_state=1)
# 转换为tensor格式
x_train = torch.tensor(x_train, dtype=torch.float32)
y_train = torch.tensor(y_train, dtype=torch.float32)
x_test = torch.tensor(x_test, dtype=torch.float32)
y_test = torch.tensor(y_test, dtype=torch.float32)

3. 模型搭建

接下来，我们将使用PyTorch来搭建一个简单的神经网络模型。在本例中，我们采用的是一个包含两个隐藏层的全连接神经网络，每个隐藏层包含64个神经元。

import torch.nn as nn
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        
        self.fc1 = nn.Linear(13, 64)
        self.fc2 = nn.Linear(64, 64)
        self.fc3 = nn.Linear(64, 1)
        
    def forward(self, x):
        x = torch.relu(self.fc1(x))
        x = torch.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x
net = Net()

上述代码中定义了一个Net类，该类继承自nn.Module类。在该类中，我们定义了三个全连接层，分别为13个输入特征到64个隐藏层，64个隐藏层到64个隐藏层，64个隐藏层到1个输出。

4. 模型训练

在模型搭建完成后，我们需要训练该模型以拟合数据。训练模型的主要流程包括模型的前向传播和反向传播，以及参数的更新。具体而言，我们需要将输入的数据送入模型中，计算模型的输出与标签值之间的误差，然后将误差反向传播回模型中，最后利用优化算法更新模型参数。

import torch.optim as optim
# 定义优化器和损失函数
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001)
criterion = nn.MSELoss()
# 训练模型
for epoch in range(1000):
    optimizer.zero_grad()
    output = net(x_train)
    loss = criterion(output, y_train.reshape(-1, 1))
    loss.backward()
    optimizer.step()
    
    if epoch % 100 == 0:
        print('Epoch', epoch, 'Loss', loss.item())

在上述代码中，我们采用Adam优化算法以及均方误差损失函数来训练模型。在每个epoch迭代中，首先清空梯度信息，然后进行前向传播和反向传播，最后使用优化器进行参数的更新操作。打印出每100次迭代的损失。

5. 模型评估

完成模型的训练后，我们需要对其进行评估以获得其在测试集上的表现。在本例中，我们将利用均方误差以及R2得分来评估模型的性能。

from sklearn.metrics import mean_squared_error, r2_score
# 在测试集上进行预测
y_pred = net(x_test).detach().numpy()
# 计算均方误差和R2得分
mse = mean_squared_error(y_test, y_pred)
r2 = r2_score(y_test, y_pred)
print('MSE:', mse)
print('R2:', r2)

上述代码中，我们将模型在测试集上的预测结果与真实数据进行对比，得到对应的均方误差以及R2得分。均方误差越小，R2得分越接近1，说明模型的性能越好。

6. 结论

通过本文的实例，我们了解了如何使用PyTorch来模拟一个回归问题。在实现过程中，我们应用了PyTorch内置的Boston Housing数据集，并搭建了一个包含两个隐藏层的全连接神经网络模型，通过优化器和损失函数的组合进行模型的训练，并在测试集上对其进行了评估。结果显示，训练好的模型在测试集上表现良好，这也进一步说明了在实际应用环境中，回归算法具有较高的实用价值。