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このチュートリアルでは、わずか 5 行の Swift で独自のカスタム導関数を定義し、導関数手術を実行し、独自の勾配チェックポイント API を実装する方法を示します。
カスタム派生関数の宣言
微分可能なパラメーターと結果を持つ任意の Swift 関数に対してカスタム導関数を定義できます。そうすることで、C 関数をインポートして微分可能にすることもできます。
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
デリバティブの伝播を阻止する
機械学習のユースケースでは一般に「勾配停止」として知られるメソッドwithoutDerivative(at:)導関数の伝播を停止します。
さらに、 withoutDerivative(at:) Swift コンパイラーが区別しないものを特定し、より効率的な導関数を生成するのに役立つ場合があります。関数の導関数が常にゼロになることが検出されると、Swift コンパイラーは警告を生成します。 withoutDerivative(at:)明示的に使用すると、この警告が表示されなくなります。
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)
派生手術
withDerivative(_:)メソッドは、囲んでいる関数の逆伝播中に、ある値の勾配に対して任意の操作 (突然変異を含む) を実行します。
これを使用して、バックプロパゲーションをデバッグしたり、実験的な調整を行ったりします。
どこでも機能します
標準ライブラリによって提供されるすべての微分 API は、 Differentiableプロトコルに準拠するすべての型 ( Float 、 Double 、 Float80 、 SIMD ベクトル、さらには独自の型) に対して一般的に定義されています。
Differentiableプロトコルの詳細については、技術文書「Differentiable Types」を参照してください。
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
ニューラルネットワークモジュールで使用する
単純なFloat関数でこれを使用したのと同じように、 Swift for TensorFlow Deep Learning Libraryを使用して構築された次のニューラル ネットワークのように、任意の数値アプリケーションで使用できます。
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]]
バックプロパゲーション中のアクティベーションを再計算してメモリを節約する (チェックポイント)
チェックポイントは、メモリを節約するためのリバース モード自動微分における伝統的な手法です。導関数を計算するために元の計算で大きな中間値を保存するのではなく、逆伝播中に必要に応じて中間値が再計算されます。
この手法は最新の深層学習ライブラリでも実現されています。 Swift では、API withRecomputationInPullbacks(_:)使用すると、逆伝播中に何を再計算するかを制御でき、すべてのDifferentiable型で使用できます。
しかし今日は、わずか数行のコードで独自の勾配チェックポイント API を最初から定義する方法を学びましょう。
勾配チェックポイント API
標準ライブラリ関数differentiableFunction(from:)を使用して、独自の勾配チェックポイント API makeRecomputedInGradient(_:)を定義できます。これは、微分可能関数を導関数 (「ベクトル ヤコビアン積」とも呼ばれます) から直接作成するための短縮形です。 (VJP) 機能」)。
前に見たように、派生関数は元の関数の結果のタプルとプルバック クロージャを返します。 value:でoriginal(x)を返し、 originalに対してpullback(at:in:)を呼び出して元の関数を再度評価し、プルバックを取得します。
/// 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) })
}
}
動作することを確認する
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
ニューラルネットワークモジュールに拡張する
この例では、単純な畳み込みニューラル ネットワークを定義します。
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)
}
}
畳み込み層 ( conv ) のアクティベーションをバックプロパゲーション中に再計算できるようにしたいと考えています。ただし、 makeRecomputedInGradient(_:)を使用すると、特にsequenced(in:through:_:_:_:_:)を使用してレイヤーを順番に適用する場合、結果のコードが煩雑になる可能性があります。
input.sequenced(in: context, through: conv, maxPool, flatten, dense)
そこで、レイヤーをラップし、バックプロパゲーション中にそのアクティベーションを再計算させる特別なレイヤー タイプを定義してはどうでしょうか?やりましょう。
まず、バイナリ関数を受け取るmakeRecomputedInGradient(_:)関数を定義します。
// 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) })
}
}
次に、汎用レイヤーActivationDiscarding<Wrapped>を定義します。
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)
}
}
最後に、同じレイヤーを返すメソッドをすべてのレイヤーに追加できます。ただし、そのアクティブ化はアプリケーション中に破棄され、バックプロパゲーション中に再計算されます。
extension Layer {
func discardingActivations() -> ActivationDiscarding<Self> {
return ActivationDiscarding(wrapped: self)
}
}
モデルに戻ると、変更する必要があるのは、畳み込み層を活性化再計算層にラップすることだけです。
var conv = Conv2D<Float>(filterShape: (5, 5, 3, 6)).discardingActivations()
あとはモデルで使用するだけです。
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)
}
}
トレーニング ループを実行すると、畳み込み層のアクティベーションが 2 回計算されることがわかります。1 回目は層の適用中に、もう 1 回は逆伝播中に計算されます。
// 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...
このように、さまざまなドメイン向けに汎用の微分可能なプログラミング ライブラリを定義するのは非常に簡単です。