PyTorch学习实战:AI从数学基础到模型优化全流程精解

简介: 本文系统讲解人工智能、机器学习与深度学习的层级关系,涵盖PyTorch环境配置、张量操作、数据预处理、神经网络基础及模型训练全流程,结合数学原理与代码实践,深入浅出地介绍激活函数、反向传播等核心概念,助力快速入门深度学习。

一. 人工智能、机器学习与深度学习的关系

1.1 概念层次解析

人工智能(AI):使机器模拟人类智能的广义领域

机器学习(ML):通过数据驱动的方法让系统自动改进性能

深度学习(DL):基于多层神经网络的机器学习子领域

关系示意图

人工智能 ⊃ 机器学习 ⊃ 深度学习

二. PyTorch环境配置

2.1 Conda环境管理

# 创建虚拟环境

conda create -n pytorch_env python=3.9

# 激活环境

conda activate pytorch_env

# 安装PyTorch(根据CUDA版本选择)

conda install pytorch torchvision torchaudio pytorch-cuda=12.1 -c pytorch -c nvidia # GPU版本

conda install pytorch torchvision torchaudio cpuonly -c pytorch # CPU版本

2.2 验证安装

三. 数学基础与张量操作

3.1 标量、向量、张量

代码示例:张量创建与操作

四. 数据预处理与线性代数

4.1 数据标准化

4.2 线性代数核心操作

五. 神经网络基础

5.1 神经元数学模型

wi:权重

bb:偏置(提供平移能力)

ff:激活函数

代码示例:单神经元实现

六. 模型训练全流程

6.1 训练要素定义

6.2 典型训练循环

七. 激活函数与反向传播

7.1 常见激活函数对比

7.2 反向传播数学原理

链式法则示例:

其中 z=∑wixi+bz=wixi+by=f(z)y=f(z)

代码示例:手动实现反向传播

:本文代码基于PyTorch 2.0+版本实现,运行前需安装:

pip install torch torchvision matplotlib

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