tensorflow2.x学习笔记四：自动微分机制(tf.GradientTape)

       神经网络通常依赖反向传播求梯度来更新网络参数，求梯度过程通常是一件非常复杂而容易出错的事情。而深度学习框架可以帮助我们自动地完成这种求梯度运算。Tensorflow一般使用梯度磁带tf.GradientTape来记录正向运算过程，然后反播磁带自动得到梯度值。这种利用tf.GradientTape求微分的方法叫做Tensorflow的自动微分机制。

一、利用梯度磁带求导数

• 对变量求导数

import tensorflow as tf
import numpy as np 
'''
f(x) = a*x**2 + b*x + c的导数
'''
x = tf.Variable(0.0,name = "x",dtype = tf.float32)
a = tf.constant(1.0)
b = tf.constant(-2.0)
c = tf.constant(1.0)

with tf.GradientTape() as tape:
    y = a*tf.pow(x,2) + b*x + c
    
dy_dx = tape.gradient(y,x)
print(dy_dx)

输出：

tf.Tensor(-2.0, shape=(), dtype=float32)

• 对常量求导数

# 对常量张量也可以求导，需要增加watch

with tf.GradientTape() as tape:
    tape.watch([a,b,c])
    y = a*tf.pow(x,2) + b*x + c
    
dy_dx,dy_da,dy_db,dy_dc = tape.gradient(y,[x,a,b,c])
print(dy_da)
print(dy_dc)

输出：

tf.Tensor(0.0, shape=(), dtype=float32)
tf.Tensor(1.0, shape=(), dtype=float32)

• 求二阶导数

# 可以求二阶导数
with tf.GradientTape() as tape2:
    with tf.GradientTape() as tape1:   
        y = a*tf.pow(x,2) + b*x + c
    dy_dx = tape1.gradient(y,x)   
dy2_dx2 = tape2.gradient(dy_dx,x)

print(dy2_dx2)

输出：

tf.Tensor(2.0, shape=(), dtype=float32)

• 在autograph中进行求导，需要注意的是，一定要对自变量x加上watch，否则计算结果为None

@tf.function
def f(x):   
    a = tf.constant(1.0)
    b = tf.constant(-2.0)
    c = tf.constant(1.0)
    

    with tf.GradientTape() as tape:
        tape.watch(x)
        y = a*tf.pow(x,2)+b*x+c
    dy_dx = tape.gradient(y,x) 
    
    return((dy_dx,y))

tf.print(f(tf.constant(0.0)))
tf.print(f(tf.constant(1.0)))

输出：

  (-2, 1)
  (0, 0)

二、利用梯度磁带和优化器求最小值

• 使用optimizer.apply_gradients

x = tf.Variable(0.0,name = "x",dtype = tf.float32)
a = tf.constant(1.0)
b = tf.constant(-2.0)
c = tf.constant(1.0)

optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.01)
for _ in range(1000):
    with tf.GradientTape() as tape:
        y = a*tf.pow(x,2) + b*x + c
    dy_dx = tape.gradient(y,x)
    optimizer.apply_gradients(grads_and_vars=[(dy_dx,x)])
    
tf.print("y =",y,"; x =",x)

#输出：y = 0 ; x = 0.999998569

• 在autograph中使用optimizer.apply_gradients

x = tf.Variable(0.0,name = "x",dtype = tf.float32)
optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.01)

@tf.function
def minimizef():
    a = tf.constant(1.0)
    b = tf.constant(-2.0)
    c = tf.constant(1.0)
    y = a*tf.pow(x,2) + b*x + c
    '''
    #注意autograph时使用tf.range(1000)而不是range(1000)
    '''
    for _ in tf.range(1000): 
        with tf.GradientTape() as tape:
            y = a*tf.pow(x,2) + b*x + c
        dy_dx = tape.gradient(y,x)
        optimizer.apply_gradients(grads_and_vars=[(dy_dx,x)])
        
    return y

tf.print(minimizef())
tf.print(x)
#输出：0 0.999998569

• 使用optimizer.minimize，相当于先用tape求gradient,再apply_gradient

x = tf.Variable(0.0,name = "x",dtype = tf.float32)

#注意f()无参数
def f():   
    a = tf.constant(1.0)
    b = tf.constant(-2.0)
    c = tf.constant(1.0)
    y = a*tf.pow(x,2)+b*x+c
    return(y)

optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.01)   
for _ in range(1000):
    optimizer.minimize(f,[x])   
    
tf.print("y =",f(),"; x =",x)
#输出：y = 0 ; x = 0.999998569

• 在autograph中使用optimizer.minimize，相当于先用tape求gradient,再apply_gradient

x = tf.Variable(0.0,name = "x",dtype = tf.float32)
optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.01)   

@tf.function
def f():   
    a = tf.constant(1.0)
    b = tf.constant(-2.0)
    c = tf.constant(1.0)
    y = a*tf.pow(x,2)+b*x+c
    return(y)

@tf.function
def train(epoch):  
    for _ in tf.range(epoch):  
        optimizer.minimize(f,[x])
    return(f())


tf.print(train(1000))
tf.print(x)
#输出：y = 0 ; x = 0.999998569

参考链接：eat_tensorflow2_in_30_days

最后

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