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droppath

article 2024/12/5 3:26:36

DropPath 是一种用于正则化深度学习模型的技术，它在训练过程中随机丢弃路径（或者说随机让某些部分的输出变为零），从而增强模型的鲁棒性和泛化能力。

代码解释：

import torch
import torch.nn as nn

# 定义 DropPath 类
class DropPath(nn.Module):
    def __init__(self, drop_prob=None):
        super().__init__()
        self.drop_prob = drop_prob

def forward(self, x):
return drop_path(x, self.drop_prob, self.training)

def drop_path(x, drop_prob: float = 0., training: bool = False):
#drop_path(输入,将drop_prob初始化为0., 判断是否为训练模式)
    if drop_prob == 0. or not training:
        return x
#如果drop_prob等于0或者不是训练模式直接将输入输出
    keep_prob = 1 - drop_prob
#保留的概率
    shape = (x.shape[0],) + (1,) * (x.ndim - 1)
# 形状：(batch_size, 1, 1, ...)
# x.shape[0]获取xshape的第一维也就是batch_size
# (1,) * (x.ndim - 1) 将shape用1填充和x的形状一样
    random_tensor = keep_prob + torch.rand(shape, dtype=x.dtype, device=x.device)
# torch.rand(shape, dtype=x.dtype, device=x.device)生成随机数（生成均值为0，标准差为1的正态# 分布随机数）形状和shape一致的也就是和x一致，数据类型，设备都和x一致
# 将随机数和keep_prob相加得到随机数（范围[keep_prob,1+keep_prob]）
    random_tensor.floor_()
# 二值化，生成 0 或 1 的 mask
# 也就是将随机数向下取整
    output = x.div(keep_prob) * random_tensor
#x.div(keep_prob)将输入张量x的所有值除以keep_prob，目的是 放大保留下来的部分

#* random_tensor根据0 或 1 的 mask决定哪些路径会被保留（1）或丢弃（0）
return output

为什么要放大保留下来的部分：

丢弃路径会导致部分值被置为零，模型整体输出的总期望值会下降。
为了补偿这种下降，需要对保留下来的部分放大，使得丢弃路径后的总期望值和丢弃前一致。

因为只是补偿所以并不一定等与原期望

数学解释：

假设输入张量是 $x=\begin{bmatrix} x_{1,}&x_{2,} & ... &, x_{n} \end{bmatrix}$ ，其中每个元素 xi表示特征。

期望： $E=\frac{1}{n}\sum_{1}^{n}x_{i}$

丢弃之后： $E=\frac{1}{n}\sum_{1}^{n}{keepprob}\cdot x_{i}$

放大之后： $E=\frac{1}{n}\sum_{1}^{n}\frac{{keepprob}\cdot x_{i}}{keepprob}=\frac{1}{n}\sum_{1}^{n}x_{i}$

实例：

import torch
import torch.nn as nn

# 定义 DropPath 类
class DropPath(nn.Module):
    def __init__(self, drop_prob=None):
        super().__init__()
        self.drop_prob = drop_prob

    def forward(self, x):
        return drop_path(x, self.drop_prob, self.training)

def drop_path(x, drop_prob: float = 0., training: bool = False):
    if drop_prob == 0. or not training:
        return x
    keep_prob = 1 - drop_prob
    shape = (x.shape[0],) + (1,) * (x.ndim - 1)  # 形状：(batch_size, 1, 1, ...)
    random_tensor = keep_prob + torch.rand(shape, dtype=x.dtype, device=x.device)
    random_tensor.floor_()  # 二值化，生成 0 或 1 的 mask
    print(f'mask: {random_tensor}')
    output = x.div(keep_prob) * random_tensor
    return output

# 定义简单模型
class SimpleModel(nn.Module):
    def __init__(self, drop_prob):
        super().__init__()
        self.linear = nn.Linear(4, 4)  # 简单的线性层
        self.drop_path = DropPath(drop_prob)  # 使用 DropPath
        self.activation = nn.ReLU()  # ReLU 激活

    def forward(self, x):
        print("输入数据:")
        print(x)

        x = self.linear(x)  # 线性层
        print("线性层输出:")
        print(x)

        x = self.activation(x)  # ReLU 激活
        print("激活后输出:")
        print(x)

        x = self.drop_path(x)  # DropPath
        print("DropPath 后输出:")
        print(x)

        return x

# 创建模型
model = SimpleModel(drop_prob=0.5)
model.train()  # 设置为训练模式以启用 DropPath

# 输入数据
input_data = torch.tensor([[1.0, 2.0, 3.0, 4.0],
                           [5.0, 6.0, 7.0, 8.0]], dtype=torch.float32)

# 运行模型
output = model(input_data)

输出：简单理解就是根据mask的1，0值对每个样本进行保留或置零

输入数据:
tensor([[1., 2., 3., 4.],
[5., 6., 7., 8.]])
线性层输出:
tensor([[ 1.2836, -1.4602, 2.2660, -1.7250],
[ 1.3035, -4.1391, 4.5453, -2.5738]], grad_fn=<AddmmBackward0>)
激活后输出:
tensor([[1.2836, 0.0000, 2.2660, 0.0000],
[1.3035, 0.0000, 4.5453, 0.0000]], grad_fn=<ReluBackward0>)
mask: tensor([[1.],
[0.]])
DropPath 后输出:
tensor([[2.5672, 0.0000, 4.5321, 0.0000],
[0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000]], grad_fn=<MulBackward0>)