Por que o GradientTape é o recurso mais subestimado no TensorFlow

Conteúdo Visão Geral Diferenciação Automática e Gradientes Instalação Gradientes Computacionais Gradientes Tapas Gradientes em relação a um modelo Controlar o que a fita observa Resultados intermediários Notas sobre desempenho Gradientes de metas não escalares Controle do fluxo Diferenciação Automática e Gradientes é útil para a implementação de algoritmos de aprendizagem de máquina, como Treinamento de redes neurais. Diferenciação automática Backpropaganda Neste guia, você explorará maneiras de calcular gradientes com o TensorFlow, especialmente em execução ansiosa. Instalação import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import tensorflow as tf 2024-08-15 01:30:07.003169: E external/local_xla/xla/stream_executor/cuda/cuda_fft.cc:485] Unable to register cuFFT factory: Attempting to register factory for plugin cuFFT when one has already been registered 2024-08-15 01:30:07.023862: E external/local_xla/xla/stream_executor/cuda/cuda_dnn.cc:8454] Unable to register cuDNN factory: Attempting to register factory for plugin cuDNN when one has already been registered 2024-08-15 01:30:07.029954: E external/local_xla/xla/stream_executor/cuda/cuda_blas.cc:1452] Unable to register cuBLAS factory: Attempting to register factory for plugin cuBLAS when one has already been registered Gradientes Computacionais Para diferenciar automaticamente, o TensorFlow precisa lembrar quais operações ocorrem em que ordem durante o Depois disso, durante o , TensorFlow atravessa esta lista de operações em ordem reversa para calcular gradientes. Avançado Passagem para trás Gradientes Tapas O TensorFlow fornece a API para diferenciação automática; isto é, calcular o gradiente de um cálculo em relação a algumas entradas, geralmente s. O TensorFlow "recorda" as operações relevantes executadas no contexto de um TensorFlow então usa essa fita para calcular os gradientes de uma computação "recordada" usando . tf.GradientTape tf.Variable tf.GradientTape Modo de diferenciação inversa Aqui está um exemplo simples: x = tf.Variable(3.0) with tf.GradientTape() as tape: y = x**2 WARNING: All log messages before absl::InitializeLog() is called are written to STDERR I0000 00:00:1723685409.408818 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685409.412555 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685409.416343 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685409.420087 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. 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See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.687389 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.689411 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.691490 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. 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See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.699432 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.701351 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.703333 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.705229 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.707222 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.744994 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.747037 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.749507 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.751538 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.753500 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.755501 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.757421 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.759404 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.761363 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.763858 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.766199 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 I0000 00:00:1723685410.768560 20970 cuda_executor.cc:1015] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero. See more at https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.0/Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-pci#L344-L355 Depois de registrar algumas operações, use para calcular o gradiente de algum alvo (muitas vezes uma perda) em relação a alguma fonte (muitas vezes as variáveis do modelo): GradientTape.gradient(target, sources) # dy = 2x * dx dy_dx = tape.gradient(y, x) dy_dx.numpy() 6.0 O exemplo acima usa escalas, mas Funciona tão facilmente em qualquer tensor: tf.GradientTape w = tf.Variable(tf.random.normal((3, 2)), name='w') b = tf.Variable(tf.zeros(2, dtype=tf.float32), name='b') x = [[1., 2., 3.]] with tf.GradientTape(persistent=True) as tape: y = x @ w + b loss = tf.reduce_mean(y**2) Para alcançar o grau de com relação a ambas as variáveis, você pode passar ambas como fontes para o A fita é flexível sobre como as fontes são passadas e aceitará qualquer combinação de listas ou dicionários e devolverá o gradiente estruturado da mesma maneira (ver e) o loss gradient tf.nest [dl_dw, dl_db] = tape.gradient(loss, [w, b]) O gradiente em relação a cada fonte tem a forma da fonte: print(w.shape) print(dl_dw.shape) (3, 2) (3, 2) Aqui está o cálculo de gradiente novamente, desta vez passando por um dicionário de variáveis: my_vars = { 'w': w, 'b': b } grad = tape.gradient(loss, my_vars) grad['b'] Gradientes em relação a um modelo É comum recolher para a ou uma das suas subclassificações ( , em ) para e . tf.Variables tf.Module layers.Layer keras.Model Verificação Exportação Na maioria dos casos, você vai querer calcular gradientes em relação às variáveis treináveis de um modelo. agregar as suas variáveis na Propriedade, você pode calcular esses gradientes em algumas linhas de código: tf.Module Module.trainable_variables layer = tf.keras.layers.Dense(2, activation='relu') x = tf.constant([[1., 2., 3.]]) with tf.GradientTape() as tape: # Forward pass y = layer(x) loss = tf.reduce_mean(y**2) # Calculate gradients with respect to every trainable variable grad = tape.gradient(loss, layer.trainable_variables) for var, g in zip(layer.trainable_variables, grad): print(f'{var.name}, shape: {g.shape}') kernel, shape: (3, 2) bias, shape: (2,) Controlar o que a fita observa O comportamento padrão é registrar todas as operações depois de acessar um treinável. As razões para isso são: tf.Variable A fita precisa saber quais operações gravar na passagem para frente para calcular os gradientes na passagem para trás. A fita contém referências a saídas intermediárias, para que você não queira gravar operações desnecessárias. O caso de uso mais comum envolve o cálculo do gradiente de uma perda em relação a todas as variáveis treináveis de um modelo. Por exemplo, o seguinte não pode calcular um gradiente porque o não é "obedecido" por padrão, e o Não é treinável: tf.Tensor tf.Variable # A trainable variable x0 = tf.Variable(3.0, name='x0') # Not trainable x1 = tf.Variable(3.0, name='x1', trainable=False) # Not a Variable: A variable + tensor returns a tensor. x2 = tf.Variable(2.0, name='x2') + 1.0 # Not a variable x3 = tf.constant(3.0, name='x3') with tf.GradientTape() as tape: y = (x0**2) + (x1**2) + (x2**2) grad = tape.gradient(y, [x0, x1, x2, x3]) for g in grad: print(g) tf.Tensor(6.0, shape=(), dtype=float32) None None None Você pode listar as variáveis a serem observadas pela fita usando o O Método: GradientTape.watched_variables [var.name for var in tape.watched_variables()] ['x0:0'] fornece ganchos que dão ao usuário controle sobre o que é ou não é visto. tf.GradientTape Para registrar gradientes em relação a Você precisa ligar : tf.Tensor GradientTape.watch(x) x = tf.constant(3.0) with tf.GradientTape() as tape: tape.watch(x) y = x**2 # dy = 2x * dx dy_dx = tape.gradient(y, x) print(dy_dx.numpy()) 6.0 Ao contrário, para desativar o comportamento padrão de assistir a todos É um set Este cálculo usa duas variáveis, mas só conecta o gradiente para uma das variáveis: tf.Variables watch_accessed_variables=False x0 = tf.Variable(0.0) x1 = tf.Variable(10.0) with tf.GradientTape(watch_accessed_variables=False) as tape: tape.watch(x1) y0 = tf.math.sin(x0) y1 = tf.nn.softplus(x1) y = y0 + y1 ys = tf.reduce_sum(y) Desde Não foi chamado em , nenhum gradiente é calculado em relação a ele: GradientTape.watch x0 # dys/dx1 = exp(x1) / (1 + exp(x1)) = sigmoid(x1) grad = tape.gradient(ys, {'x0': x0, 'x1': x1}) print('dy/dx0:', grad['x0']) print('dy/dx1:', grad['x1'].numpy()) dy/dx0: None dy/dx1: 0.9999546 Resultados intermediários Você também pode solicitar gradientes da saída em relação aos valores intermediários calculados dentro do do contexto. tf.GradientTape x = tf.constant(3.0) with tf.GradientTape() as tape: tape.watch(x) y = x * x z = y * y # Use the tape to compute the gradient of z with respect to the # intermediate value y. # dz_dy = 2 * y and y = x ** 2 = 9 print(tape.gradient(z, y).numpy()) 18.0 Por padrão, os recursos detidos por a Eles serão liberados assim que Para calcular vários gradientes sobre o mesmo cálculo, crie uma fita de Isso permite múltiplas chamadas para o método como recursos são liberados quando o objeto da fita é lixo coletado. GradientTape GradientTape.gradient persistent=True gradient x = tf.constant([1, 3.0]) with tf.GradientTape(persistent=True) as tape: tape.watch(x) y = x * x z = y * y print(tape.gradient(z, x).numpy()) # [4.0, 108.0] (4 * x**3 at x = [1.0, 3.0]) print(tape.gradient(y, x).numpy()) # [2.0, 6.0] (2 * x at x = [1.0, 3.0]) [ 4. 108.] [2. 6.] del tape # Drop the reference to the tape Notas sobre desempenho There is a tiny overhead associated with doing operations inside a gradient tape context. For most eager execution this will not be a noticeable cost, but you should still use tape context around the areas only where it is required. Gradient tapes use memory to store intermediate results, including inputs and outputs, for use during the backwards pass. For efficiency, some ops (like ) don't need to keep their intermediate results and they are pruned during the forward pass. However, if you use on your tape, and your peak memory usage will be higher. ReLU persistent=True nothing is discarded Gradientes de metas não escalares Um gradiente é basicamente uma operação em um escalar. x = tf.Variable(2.0) with tf.GradientTape(persistent=True) as tape: y0 = x**2 y1 = 1 / x print(tape.gradient(y0, x).numpy()) print(tape.gradient(y1, x).numpy()) 4.0 -0.25 Assim, se você pedir o gradiente de vários alvos, o resultado para cada fonte é: O gradiente da soma dos objetivos, ou equivalente A soma dos gradientes de cada alvo. x = tf.Variable(2.0) with tf.GradientTape() as tape: y0 = x**2 y1 = 1 / x print(tape.gradient({'y0': y0, 'y1': y1}, x).numpy()) 3.75 Da mesma forma, se o(s) alvo(s) não forem escalares, o gradiente da soma é calculado: x = tf.Variable(2.) with tf.GradientTape() as tape: y = x * [3., 4.] print(tape.gradient(y, x).numpy()) 7.0 Isso torna simples tomar o gradiente da soma de uma coleção de perdas, ou o gradiente da soma de um cálculo de perdas elementar. Se você precisar de um gradiente separado para cada item, consulte . Jacobianos Para um cálculo elementar, o gradiente da soma dá a derivativa de cada elemento em relação ao seu elemento de entrada, uma vez que cada elemento é independente: x = tf.linspace(-10.0, 10.0, 200+1) with tf.GradientTape() as tape: tape.watch(x) y = tf.nn.sigmoid(x) dy_dx = tape.gradient(y, x) plt.plot(x, y, label='y') plt.plot(x, dy_dx, label='dy/dx') plt.legend() _ = plt.xlabel('x') Controle do fluxo Como uma fita de gradiente registra operações à medida que elas são executadas, o fluxo de controle do Python é tratado naturalmente (por exemplo, e das declarações). if while Aqui uma variável diferente é usada em cada ramo de um O gradiente só se conecta à variável que foi usada: if x = tf.constant(1.0) v0 = tf.Variable(2.0) v1 = tf.Variable(2.0) with tf.GradientTape(persistent=True) as tape: tape.watch(x) if x > 0.0: result = v0 else: result = v1**2 dv0, dv1 = tape.gradient(result, [v0, v1]) print(dv0) print(dv1) tf.Tensor(1.0, shape=(), dtype=float32) None Basta lembrar que as declarações de controle em si não são diferenciáveis, então elas são invisíveis para otimizadores baseados em gradiente. Dependendo do valor do No exemplo acima, a fita ou ou O gradiente em relação ao É sempre . x result = v0 result = v1**2 x None dx = tape.gradient(result, x) print(dx) None Originalmente publicado no site TensorFlow, este artigo aparece aqui sob um novo título e é licenciado sob CC BY 4.0. Originalmente publicado no site TensorFlow, este artigo aparece aqui sob um novo título e é licenciado sob CC BY 4.0. TensorFlow TensorFlow