深度学习框架简介 (TensorFlow/Keras, PyTorch)

构建和训练神经网络涉及定义架构、计算输出（前向传播）、计算梯度（通过反向传播进行后向传播），以及使用优化算法更新权重。从头实现所有这些步骤，仅使用像 NumPy 这样的基础库，固然可行（也是一次很棒的学习实践），但它会迅速变得复杂且计算量大，特别是对于层数较多的网络和大型数据集。

这就是深度学习框架发挥作用的地方。它们提供更高层次的抽象，处理许多复杂细节，让您能够更高效地专注于模型的设计、训练和评估。可以将它们视为深度学习实践者的专用工具集。

为何使用深度学习框架？

框架提供多项重要优点：

1. 自动微分 (Autograd)： 这可以说是最重要的特性。框架自动计算损失函数相对于模型参数的梯度。您定义前向传播（输入如何转换为输出），框架会自行计算反向传播所需的梯度，使用计算图和链式法则等技术。这省去了手动推导和实现梯度计算的麻烦，后者既繁琐又容易出错。
2. 优化过的构建模块： 框架提供预构建、优化过的常见神经网络组件实现：
   • 层： 全连接层、卷积层、循环层、池化层、归一化层、Dropout 层等。
   • 激活函数： ReLU、Sigmoid、Tanh、Softmax 等多种。
   • 损失函数： 均方误差、交叉熵等。
   • 优化器： SGD、Adam、RMSprop、Momentum 等。 您可以像堆叠积木一样，组合这些组件来构建复杂的模型。
3. GPU 加速： 训练深度模型计算量大。框架与 GPU（图形处理单元）结合，GPU 能够比 CPU 更快地执行所需的大规模并行计算（特别是矩阵乘法）。它们处理数据在 GPU 之间传输和在其上执行操作的底层细节，通常从您的角度来看，只需最少的代码改动。
4. 抽象与便利： 它们抽象了底层硬件交互，并提供用户友好的 API，通常是 Python 编写的，使得模型定义和训练更加直观。
5. 生态系统与社区： 流行的框架拥有庞大活跃的社区、丰富的文档、教程、预训练模型（模型动物园），以及用于可视化（如 TensorBoard）和部署（如 TensorFlow Serving 或 TorchServe）的工具。

主流框架：TensorFlow/Keras 和 PyTorch

虽然存在多种深度学习框架，但有两款已成为研究和工业界使用最广泛的：TensorFlow（常通过其高级 Keras API 使用）和 PyTorch。

TensorFlow 和 Keras

• 开发者： Google Brain。
• API： TensorFlow 提供多个 API 层面。Keras 是其官方高级 API，以用户友好和实现快速原型而闻名。使用 Keras 定义模型通常感觉像描述层序列或图。TensorFlow 2.x 默认采用“即时执行”，使其行为更动态，类似于 Python 代码，与 PyTorch 相似。
• 优点： 对生产部署（TensorFlow Serving、用于移动/嵌入式设备的 TensorFlow Lite、用于 Web 的 TensorFlow.js）提供出色支持，可扩展至分布式系统，并通过 TensorBoard 提供强大的可视化工具。Keras 使常见架构的实现非常直接。

PyTorch

• 开发者： Meta AI（前身为 Facebook 的 AI 研究实验室 - FAIR）。
• API： PyTorch 因其“Pythonic”风格而受赞誉。它与 Python 语言及其生态系统（例如 NumPy）紧密结合。定义模型和自定义操作通常感觉更像编写标准面向对象 Python 代码。
• 计算图： PyTorch 主要使用动态计算图（即时定义即时运行）。这意味着表示计算的图在代码执行时动态构建。这提供了更大的灵活性，特别是对于具有动态结构的模型（在自然语言处理中常见），并可能使使用标准 Python 调试器进行调试更直接。
• 优点： 因其灵活性和易用性而在研究界广泛采用。调试通常被认为更直观。它拥有一个快速增长的生态系统，并在生产环境中得到日益增加的应用。

以下是 PyTorch 中定义一个简单序列模型的示例，体现其面向对象的方法：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class SimpleNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleNet, self).__init__()
        # 定义层：输入特征=784，隐藏层=128个神经元，输出=10个类别
        self.fc1 = nn.Linear(784, 128) # 784个输入特征，128个输出特征
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)  # 128个输入特征，10个输出特征（类别）

    def forward(self, x):
        # 定义前向传播：输入 x 如何流经各层
        x = self.fc1(x)
        x = F.relu(x) # 应用 ReLU 激活
        x = self.fc2(x)
        # 注意：用于输出概率的 Softmax 通常包含在损失函数中
        # 以提高数值稳定性（例如 nn.CrossEntropyLoss）
        return x

# 实例化模型
model = SimpleNet()
print(model)

SimpleNet(
  (fc1): Linear(in_features=784, out_features=128, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=128, out_features=10, bias=True)
)

输出呈现了在 SimpleNet 模型中定义的层。

框架选择

TensorFlow/Keras 和 PyTorch 都是强大的、成熟的框架，能够构建先进的模型。选择通常取决于以下几点：

• 项目需求： TensorFlow 在生产部署工具方面历来占优，尽管 PyTorch 正在迅速赶上。
• 团队/个人偏好： PyTorch 的即时定义即时运行方法和 Pythonic API 吸引了许多研究人员和开发人员。Keras 简洁的 API 对于标准架构和快速迭代非常出色。
• 现有生态系统： 考虑可用的预训练模型或基于特定框架构建的库。

幸运的是，核心原理（层、激活、损失函数、优化器、张量）大致相同，在一个框架中学到的技能通常可以迁移到另一个框架。在本课程的实践示例中，我们将主要使用 PyTorch，但无论具体框架如何，其基本原理都适用。

这些框架提供了我们将在后续章节中使用的必要工具，用于准备数据、定义模型架构、管理训练过程以及评估深度神经网络的性能。