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Ce didacticiel vous montrera comment définir vos propres dérivés personnalisés, effectuer une chirurgie dérivée et implémenter votre propre API de point de contrôle de dégradé en seulement 5 lignes de Swift.
Déclaration de dérivés personnalisés
Vous pouvez définir des dérivées personnalisées pour n'importe quelle fonction Swift ayant des paramètres et des résultats différentiables. En faisant cela, vous pouvez même importer une fonction C et la rendre différentiable.
import Glibc
func sillyExp(_ x: Float) -> Float {
let 𝑒 = Float(M_E)
print("Taking 𝑒(\(𝑒)) to the power of \(x)!")
return pow(𝑒, x)
}
@derivative(of: sillyExp)
func sillyDerivative(_ x: Float) -> (value: Float, pullback: (Float) -> Float) {
let y = sillyExp(x)
return (value: y, pullback: { v in v * y })
}
print("exp(3) =", sillyExp(3))
print("𝛁exp(3) =", gradient(of: sillyExp)(3))
Taking 𝑒(2.7182817) to the power of 3.0! exp(3) = 20.085535 Taking 𝑒(2.7182817) to the power of 3.0! 𝛁exp(3) = 20.085535
Empêcher les dérivés de se propager
Communément appelée « stop gradient » dans les cas d'utilisation de l'apprentissage automatique, la méthode withoutDerivative(at:) empêche la propagation des dérivés.
De plus, withoutDerivative(at:) peut parfois aider le compilateur Swift à identifier ce qu'il ne faut pas différencier et à produire des dérivés plus efficaces. Lorsqu'il est détectable que la dérivée d'une fonction sera toujours nulle, le compilateur Swift produira un avertissement. L'utilisation explicite de withoutDerivative(at:) fait taire cet avertissement.
let x: Float = 2.0
let y: Float = 3.0
let xyGradient = gradient(at: x, y) { x, y in
sin(sin(sin(x))) + withoutDerivative(at: cos(cos(cos(y))))
}
print(xyGradient)
(-0.18009877, 0.0)
Chirurgie dérivée
La méthode withDerivative(_:) effectue des opérations arbitraires (y compris la mutation) sur le gradient à une valeur lors de la rétropropagation de la fonction englobante.
Utilisez-le pour déboguer ou apporter des modifications expérimentales à la rétro-propagation.
Ça marche n'importe où
Toutes les API de différenciation fournies par la bibliothèque standard sont définies de manière générique sur tous les types conformes au protocole Differentiable : Float , Double , Float80 , vecteurs SIMD et même vos propres types !
Lisez le document technique Differentiable Types pour plus d’informations sur le protocole Differentiable .
var x: Float = 30
let xGradient = gradient(at: x) { x -> Float in
// Print the partial derivative with respect to the result of `sin(x)`.
let a = sin(x).withDerivative { print("∂+/∂sin = \($0)") }
// Force the partial derivative with respect to `x` to be `0.5`.
let b = log(x.withDerivative { (dx: inout Float) in
print("∂log/∂x = \(dx), but rewritten to 0.5");
dx = 0.5
})
return a + b
}
print(xGradient)
∂log/∂x = 0.033333335, but rewritten to 0.5 ∂+/∂sin = 1.0 0.65425146
Utilisez-le dans un module de réseau neuronal
Tout comme la façon dont nous l'avons utilisé dans une simple fonction Float , nous pouvons l'utiliser dans n'importe quelle application numérique, comme le réseau neuronal suivant construit à l'aide de la bibliothèque Swift pour TensorFlow Deep Learning .
import TensorFlow
struct MLP: Layer {
var layer1 = Dense<Float>(inputSize: 2, outputSize: 10, activation: relu)
var layer2 = Dense<Float>(inputSize: 10, outputSize: 1, activation: relu)
@differentiable
func callAsFunction(_ input: Tensor<Float>) -> Tensor<Float> {
let h0 = layer1(input).withDerivative { print("∂L/∂layer1 =", $0) }
return layer2(h0)
}
}
var classifier = MLP()
let optimizer = SGD(for: classifier, learningRate: 0.02)
let x: Tensor<Float> = [[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]]
let y: Tensor<Float> = [0, 1, 1, 0]
for _ in 0..<10 {
let 𝛁model = gradient(at: classifier) { classifier -> Tensor<Float> in
let ŷ = classifier(x).withDerivative { print("∂L/∂ŷ =", $0) }
let loss = (ŷ - y).squared().mean()
print("Loss: \(loss)")
return loss
}
optimizer.update(&classifier, along: 𝛁model)
}
Loss: 0.45304087
∂L/∂ŷ = [[ -0.25],
[ -0.25],
[-0.2143442],
[-0.1791575]]
∂L/∂layer1 = [[ 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
[ 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
[-0.046330024, -0.07919147, -0.077494234, -0.07907715, 0.14447221, -0.07965051,
0.0873662, -0.016764779, 0.1293755, 0.027867926],
[-0.038724493, -0.066191405, -0.0647728, -0.06609586, 0.12075568, -0.06657509,
0.07302418, -0.014012676, 0.108137235, 0.023293132]]
Loss: 0.43502235
∂L/∂ŷ = [[-0.24459878],
[-0.24358931],
[-0.19911093],
[-0.16190395]]
∂L/∂layer1 = [[-0.053103957, -0.09203638, -0.0885385, -0.09065656, 0.16429774, -0.090893134,
0.09901551, -0.019131118, 0.14763679, 0.03180147],
[-0.052884795, -0.09165655, -0.0881731, -0.09028242, 0.16361968, -0.09051801,
0.09860687, -0.019052165, 0.14702748, 0.031670224],
[-0.043228254, -0.074920446, -0.072073065, -0.073797226, 0.13374342, -0.0739898,
0.08060167, -0.015573319, 0.12018088, 0.025887374],
[-0.035150383, -0.060920395, -0.058605086, -0.06000707, 0.10875137, -0.060163658,
0.06553999, -0.012663202, 0.09772321, 0.021049915]]
Loss: 0.40576553
∂L/∂ŷ = [[-0.23289952],
[-0.22639728],
[-0.17728773],
[-0.13724682]]
∂L/∂layer1 = [[-0.050774142, -0.08952092, -0.084402055, -0.086720824, 0.15596299, -0.086545676,
0.09358021, -0.01821607, 0.1403872, 0.030280393],
[-0.049356595, -0.08702162, -0.08204567, -0.0842997, 0.1516087, -0.08412944,
0.09096757, -0.017707502, 0.13646778, 0.029435005],
[ -0.03865028, -0.0681451, -0.06424852, -0.06601361, 0.11872211, -0.06588028,
0.071235105, -0.013866433, 0.106865525, 0.023050034],
[-0.029921012, -0.052754343, -0.049737815, -0.05110426, 0.0919084, -0.051001046,
0.055146467, -0.010734662, 0.08272966, 0.017844122]]
Loss: 0.38182113
∂L/∂ŷ = [[ -0.22214013],
[ -0.21068493],
[ -0.15761846],
[-0.115079075]]
∂L/∂layer1 = [[-0.048611242, -0.08700116, -0.08059354, -0.08307868, 0.14837542, -0.08254748,
0.08869235, -0.017374532, 0.13374089, 0.028881513],
[ -0.04610448, -0.08251473, -0.07643753, -0.078794524, 0.14072408, -0.078290716,
0.08411872, -0.016478572, 0.1268442, 0.027392166],
[ -0.03449187, -0.061731257, -0.05718476, -0.05894808, 0.105279066, -0.058571167,
0.06293123, -0.012328016, 0.0948952, 0.020492738],
[-0.025182918, -0.045070708, -0.041751258, -0.04303868, 0.07686547, -0.04276349,
0.045946825, -0.009000828, 0.06928409, 0.014961987]]
Loss: 0.36222494
∂L/∂ŷ = [[ -0.2122466],
[-0.19632757],
[-0.13990551],
[-0.09517485]]
∂L/∂layer1 = [[ -0.046605036, -0.08450727, -0.077087075, -0.07970615, 0.14145951, -0.078871034,
0.08428629, -0.016600717, 0.12764633, 0.027595207],
[ -0.043109544, -0.07816901, -0.07130535, -0.07372799, 0.13084969, -0.072955504,
0.077964604, -0.0153556205, 0.11807254, 0.025525497],
[ -0.030720405, -0.05570423, -0.050813094, -0.052539498, 0.09324514, -0.05198902,
0.055558562, -0.01094261, 0.08413999, 0.018189792],
[ -0.020898461, -0.037894443, -0.034567107, -0.03574154, 0.06343276, -0.03536706,
0.03779535, -0.007444033, 0.057238705, 0.012374142]]
Loss: 0.34618416
∂L/∂ŷ = [[-0.20314947],
[ -0.1832107],
[-0.12396976],
[-0.07732913]]
∂L/∂layer1 = [[ -0.04474547, -0.082062505, -0.07385858, -0.07658187, 0.13514856, -0.07549053,
0.08030583, -0.01588919, 0.122056164, 0.026412444],
[ -0.04035378, -0.07400821, -0.06660949, -0.0690655, 0.121883966, -0.06808127,
0.07242396, -0.014329694, 0.11007657, 0.02382011],
[ -0.02730544, -0.050077755, -0.0450714, -0.046733256, 0.08247295, -0.04606728,
0.049005765, -0.009696207, 0.074483454, 0.016117908],
[ -0.017032426, -0.031237207, -0.028114373, -0.029150996, 0.05144449, -0.028735576,
0.030568527, -0.0060482426, 0.046460852, 0.0100539345]]
Loss: 0.33304712
∂L/∂ŷ = [[ -0.19478384],
[ -0.1712287],
[ -0.10964805],
[-0.061354905]]
∂L/∂layer1 = [[ -0.04302273, -0.07968434, -0.07088566, -0.0736866, 0.12938349, -0.072381854,
0.076702625, -0.015234879, 0.11692673, 0.025324788],
[ -0.03782001, -0.070048146, -0.062313486, -0.06477571, 0.11373719, -0.06362875,
0.067427, -0.013392531, 0.10278683, 0.022262271],
[-0.024218429, -0.04485604, -0.039903075, -0.041479785, 0.07283277, -0.040745318,
0.04317757, -0.008576044, 0.0658206, 0.014255873],
[-0.013551718, -0.025099747, -0.022328254, -0.023210522, 0.040754467, -0.02279954,
0.024160538, -0.00479883, 0.03683072, 0.007977048]]
Loss: 0.32227832
∂L/∂ŷ = [[ -0.187089],
[-0.16028392],
[-0.09679102],
[-0.04708069]]
∂L/∂layer1 = [[ -0.041427277, -0.07738533, -0.06814741, -0.071002685, 0.124111414, -0.06952245,
0.07343468, -0.0146330325, 0.11221778, 0.024324344],
[ -0.03549181, -0.066297986, -0.05838363, -0.060829815, 0.10632942, -0.059561655,
0.062913366, -0.012536493, 0.09613983, 0.020839289],
[ -0.02143252, -0.04003552, -0.035256255, -0.036733437, 0.064209394, -0.035967633,
0.03799164, -0.007570441, 0.058056183, 0.012584269],
[ -0.010425118, -0.01947391, -0.017149203, -0.017867727, 0.031232467, -0.017495228,
0.018479737, -0.0036823824, 0.028239448, 0.006121188]]
Loss: 0.3134383
∂L/∂ŷ = [[ -0.18000817],
[ -0.15028599],
[ -0.08526195],
[-0.034349076]]
∂L/∂layer1 = [[ -0.039949864, -0.07517394, -0.065624304, -0.06851376, 0.119284846, -0.0668912,
0.07046529, -0.014079211, 0.1078921, 0.023403734],
[ -0.033353515, -0.06276154, -0.054788698, -0.05720106, 0.09958904, -0.05584641,
0.05883036, -0.011754512, 0.090077415, 0.019539408],
[ -0.018922493, -0.035606585, -0.031083344, -0.032451954, 0.056499984, -0.03168342,
0.033376306, -0.0066687027, 0.051103737, 0.011085318],
[-0.0076232147, -0.014344656, -0.0125223985, -0.013073765, 0.02276188, -0.012764148,
0.013446154, -0.0026865886, 0.020587921, 0.0044658897]]
Loss: 0.30616698
∂L/∂ŷ = [[ -0.17348853],
[ -0.14115131],
[-0.074935496],
[-0.023015507]]
∂L/∂layer1 = [[ -0.038581613, -0.07305531, -0.063298136, -0.06620461, 0.11486097, -0.064468496,
0.067762226, -0.013569281, 0.103915446, 0.022556083],
[ -0.031390235, -0.059438244, -0.051499747, -0.053864464, 0.093451574, -0.052451957,
0.055131756, -0.011040049, 0.08454623, 0.018351763],
[ -0.01666469, -0.031555034, -0.027340584, -0.028595984, 0.04961229, -0.0278461,
0.029268773, -0.0058610262, 0.044884555, 0.009742727],
[-0.0051183524, -0.009691737, -0.00839732, -0.008782901, 0.015237799, -0.008552584,
0.00898954, -0.0018001414, 0.013785734, 0.0029923574]]
Recalcul des activations lors de la rétropropagation pour économiser de la mémoire (checkpointing)
Le point de contrôle est une technique traditionnelle de différenciation automatique en mode inverse pour économiser de la mémoire. Plutôt que de sauvegarder de grandes valeurs intermédiaires dans le calcul d'origine pour calculer les dérivées, les valeurs intermédiaires sont recalculées selon les besoins lors de la rétropropagation.
Cette technique a également été réalisée dans les bibliothèques modernes d'apprentissage profond. Dans Swift, l'API withRecomputationInPullbacks(_:) vous permet de contrôler ce qu'il faut recalculer pendant la rétropropagation, et elle est disponible sur tous les types Differentiable .
Mais aujourd’hui, apprenons à définir nos propres API de points de contrôle de dégradé à partir de zéro, en quelques lignes de code seulement.
Notre API de points de contrôle de dégradé
Nous pouvons définir notre propre API de point de contrôle de dégradé, makeRecomputedInGradient(_:) , en termes de fonction de bibliothèque standard differentiableFunction(from:) , qui est un raccourci pour créer une fonction différentiable directement à partir d'une fonction dérivée (également appelée "produits vectoriels-jacobiens (fonction VJP)").
Comme nous l'avons vu précédemment, la fonction dérivée renvoie un tuple du résultat de la fonction d'origine et une fermeture par retrait. Nous renvoyons original(x) dans value: et appelons pullback(at:in:) sur original pour évaluer à nouveau la fonction d'origine et obtenir un retrait.
/// Given a differentiable function, returns the same differentiable function except when
/// derivatives of this function are being computed. In that case, values in the original function needed
/// for computing the derivatives will be recomputed, instead of being captured by the differential or pullback.
///
/// - Parameter body: The body of the differentiable function.
/// - Returns: The same differentiable function whose derivatives, when computed, will recompute
/// some values from the original function.
func makeRecomputedInGradient<T: Differentiable, U: Differentiable>(
_ original: @escaping @differentiable (T) -> U
) -> @differentiable (T) -> U {
return differentiableFunction { x in
(value: original(x), pullback: { v in pullback(at: x, in: original)(v) })
}
}
Vérifiez que cela fonctionne
let input: Float = 10.0
print("Running original computation...")
// Differentiable multiplication with checkpointing.
let square = makeRecomputedInGradient { (x: Float) -> Float in
print(" Computing square...")
return x * x
}
// Differentiate `f(x) = (cos(x))^2`.
let (output, backprop) = valueWithPullback(at: input) { input -> Float in
return square(cos(input))
}
print("Running backpropagation...")
let grad = backprop(1)
print("Gradient = \(grad)")
Running original computation... Computing square... Running backpropagation... Computing square... Gradient = -0.9129453
Étendez-le aux modules de réseau neuronal
Dans cet exemple, nous définissons un simple réseau de neurones convolutifs.
struct Model: Layer {
var conv = Conv2D<Float>(filterShape: (5, 5, 3, 6))
var maxPool = MaxPool2D<Float>(poolSize: (2, 2), strides: (2, 2))
var flatten = Flatten<Float>()
var dense = Dense<Float>(inputSize: 36 * 6, outputSize: 10)
@differentiable
func call(_ input: Tensor<Float>) -> Tensor<Float> {
return input.sequenced(through: conv, maxPool, flatten, dense)
}
}
Nous voulons que les activations dans la couche de convolution ( conv ) soient recalculées lors de la rétropropagation. Cependant, l'utilisation de makeRecomputedInGradient(_:) pourrait rendre le code résultant encombrant, en particulier lorsque nous souhaitons appliquer des calques de manière séquentielle à l'aide sequenced(in:through:_:_:_:_:) .
input.sequenced(in: context, through: conv, maxPool, flatten, dense)
Alors, pourquoi ne définissons-nous pas un type de couche spécial qui enveloppe une couche et fait recalculer ses activations lors de la rétropropagation ? Faisons-le.
Tout d’abord, nous définissons une fonction makeRecomputedInGradient(_:) qui prend une fonction binaire.
// Same as the previous `makeRecomputedInGradient(_:)`, except it's for binary functions.
func makeRecomputedInGradient<T: Differentiable, U: Differentiable, V: Differentiable>(
_ original: @escaping @differentiable (T, U) -> V
) -> @differentiable (T, U) -> V {
return differentiableFunction { x, y in
(value: original(x, y), pullback: { v in pullback(at: x, y, in: original)(v) })
}
}
Ensuite, nous définissons une couche générique ActivationDiscarding<Wrapped> .
import TensorFlow
/// A layer wrapper that makes the underlying layer's activations be discarded during application
/// and recomputed during backpropagation.
struct ActivationDiscarding<Wrapped: Layer>: Layer {
/// The wrapped layer.
var wrapped: Wrapped
@differentiable
func callAsFunction(_ input: Wrapped.Input) -> Wrapped.Output {
let apply = makeRecomputedInGradient { (layer: Wrapped, input: Input) -> Wrapped.Output in
print(" Applying \(Wrapped.self) layer...")
return layer(input)
}
return apply(wrapped, input)
}
}
Enfin, nous pouvons ajouter une méthode sur toutes les couches qui renvoie la même couche sauf que ses activations sont ignorées lors de l'application et recalculées lors de la rétropropagation.
extension Layer {
func discardingActivations() -> ActivationDiscarding<Self> {
return ActivationDiscarding(wrapped: self)
}
}
De retour dans le modèle, tout ce que nous devons changer est d'envelopper la couche de convolution dans la couche de recalcul d'activation.
var conv = Conv2D<Float>(filterShape: (5, 5, 3, 6)).discardingActivations()
Maintenant, utilisez-le simplement dans le modèle !
struct Model: Layer {
var conv = Conv2D<Float>(filterShape: (5, 5, 3, 6)).discardingActivations()
var maxPool = MaxPool2D<Float>(poolSize: (2, 2), strides: (2, 2))
var flatten = Flatten<Float>()
var dense = Dense<Float>(inputSize: 36 * 6, outputSize: 10)
@differentiable
func callAsFunction(_ input: Tensor<Float>) -> Tensor<Float> {
return input.sequenced(through: conv, maxPool, flatten, dense)
}
}
Lorsque nous exécutons une boucle d'entraînement, nous pouvons voir que les activations de la couche de convolution sont calculées deux fois : une fois lors de l'application de la couche et une fois lors de la rétropropagation.
// Use random training data.
let x = Tensor<Float>(randomNormal: [10, 16, 16, 3])
let y = Tensor<Int32>(rangeFrom: 0, to: 10, stride: 1)
var model = Model()
let opt = SGD(for: model)
for i in 1...5 {
print("Starting training step \(i)")
print(" Running original computation...")
let (logits, backprop) = model.appliedForBackpropagation(to: x)
let (loss, dL_dŷ) = valueWithGradient(at: logits) { logits in
softmaxCrossEntropy(logits: logits, labels: y)
}
print(" Loss: \(loss)")
print(" Running backpropagation...")
let (dL_dθ, _) = backprop(dL_dŷ)
opt.update(&model, along: dL_dθ)
}
Starting training step 1
Running original computation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Loss: 2.6726463
Running backpropagation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Starting training step 2
Running original computation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Loss: 2.3370266
Running backpropagation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Starting training step 3
Running original computation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Loss: 2.0828948
Running backpropagation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Starting training step 4
Running original computation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Loss: 1.8765408
Running backpropagation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Starting training step 5
Running original computation...
Applying Conv2D<Float> layer...
Loss: 1.701678
Running backpropagation...
Applying Conv2D<Float> layer...
De cette manière, il est très simple de définir des bibliothèques de programmation génériques différenciables pour différents domaines.