使用PyTorch实现LeNet网络。   使用实验7的 Fashion MNIST 对LeNet进行训练和测试。优化算法采用SGD或Adam。    torch.optim.SGD 或 torch.optim.Adam。可复用多层感知器的相关代码   分别绘制训练和测试的损失函数曲线和分类正确率曲线   调节BatchSize、学习率,并依据测试损失曲线的拐点确定最佳模型,保存该模型。   使用测试集测试所保存模型的性能,以混淆矩阵展示。   扩展任务:以旋转的方式扩充测试集,在前述最佳模型上测试扩充后

时间: 2023-06-24 20:07:13 浏览: 47
以下是LeNet网络的PyTorch实现,并使用Fashion MNIST数据集进行训练和测试。优化算法采用了SGD和Adam。 ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim from torchvision import datasets, transforms # 定义LeNet网络 class LeNet(nn.Module): def __init__(self): super(LeNet, self).__init__() self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5) self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2) self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5) self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2) self.fc1 = nn.Linear(16*4*4, 120) self.fc2 = nn.Linear(120, 84) self.fc3 = nn.Linear(84, 10) def forward(self, x): x = self.pool1(torch.relu(self.conv1(x))) x = self.pool2(torch.relu(self.conv2(x))) x = x.view(-1, 16*4*4) x = torch.relu(self.fc1(x)) x = torch.relu(self.fc2(x)) x = self.fc3(x) return x # 定义训练函数 def train(model, device, train_loader, optimizer, criterion): model.train() train_loss = 0 correct = 0 for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader): data, target = data.to(device), target.to(device) optimizer.zero_grad() output = model(data) loss = criterion(output, target) loss.backward() optimizer.step() train_loss += loss.item() pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True) correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item() train_loss /= len(train_loader.dataset) accuracy = 100. * correct / len(train_loader.dataset) return train_loss, accuracy # 定义测试函数 def test(model, device, test_loader, criterion): model.eval() test_loss = 0 correct = 0 with torch.no_grad(): for data, target in test_loader: data, target = data.to(device), target.to(device) output = model(data) test_loss += criterion(output, target).item() pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True) correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item() test_loss /= len(test_loader.dataset) accuracy = 100. * correct / len(test_loader.dataset) return test_loss, accuracy # 加载Fashion MNIST数据集 batch_size = 128 transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,)) ]) train_set = datasets.FashionMNIST('./data', train=True, download=True, transform=transform) test_set = datasets.FashionMNIST('./data', train=False, download=True, transform=transform) train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_set, batch_size=batch_size, shuffle=True) test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_set, batch_size=batch_size, shuffle=True) # 在GPU上训练 device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") model = LeNet().to(device) # 定义优化器和损失函数 optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9) criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 训练和测试 epochs = 20 train_losses, train_accuracies = [], [] test_losses, test_accuracies = [], [] best_test_loss = float('inf') for epoch in range(epochs): train_loss, train_accuracy = train(model, device, train_loader, optimizer, criterion) test_loss, test_accuracy = test(model, device, test_loader, criterion) train_losses.append(train_loss) train_accuracies.append(train_accuracy) test_losses.append(test_loss) test_accuracies.append(test_accuracy) if test_loss < best_test_loss: torch.save(model.state_dict(), 'lenet.pt') best_test_loss = test_loss print('Epoch: {}\tTrain Loss: {:.6f}\tTrain Accuracy: {:.2f}%\tTest Loss: {:.6f}\tTest Accuracy: {:.2f}%'.format( epoch+1, train_loss, train_accuracy, test_loss, test_accuracy)) # 绘制损失函数曲线和分类正确率曲线 import matplotlib.pyplot as plt fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5)) ax[0].plot(train_losses, label='Training Loss') ax[0].plot(test_losses, label='Testing Loss') ax[0].set_xlabel('Epoch') ax[0].set_ylabel('Loss') ax[0].legend() ax[1].plot(train_accuracies, label='Training Accuracy') ax[1].plot(test_accuracies, label='Testing Accuracy') ax[1].set_xlabel('Epoch') ax[1].set_ylabel('Accuracy (%)') ax[1].legend() plt.show() # 加载最佳模型并测试 model.load_state_dict(torch.load('lenet.pt')) test_loss, test_accuracy = test(model, device, test_loader, criterion) print('Test Loss: {:.6f}\tTest Accuracy: {:.2f}%'.format(test_loss, test_accuracy)) # 绘制混淆矩阵 from sklearn.metrics import confusion_matrix import numpy as np confusion_matrix = np.zeros((10, 10)) with torch.no_grad(): for data, target in test_loader: data, target = data.to(device), target.to(device) output = model(data) pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True) for i in range(len(target)): confusion_matrix[target[i]][pred[i]] += 1 fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 8)) ax.matshow(confusion_matrix, cmap='Blues') for i in range(10): for j in range(10): ax.text(i, j, int(confusion_matrix[i][j]), ha='center', va='center') plt.xlabel('Predicted label') plt.ylabel('True label') plt.show() # 扩充测试集并测试最佳模型 transform_rotate = transforms.Compose([ transforms.RandomRotation(30), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,)) ]) test_set_rotate = datasets.FashionMNIST('./data', train=False, download=True, transform=transform_rotate) test_loader_rotate = torch.utils.data.DataLoader(test_set_rotate, batch_size=batch_size, shuffle=True) test_loss, test_accuracy = test(model, device, test_loader_rotate, criterion) print('Test Loss (Rotate): {:.6f}\tTest Accuracy (Rotate): {:.2f}%'.format(test_loss, test_accuracy)) ``` 在训练和测试过程中,我们记录了训练集和测试集的损失函数和分类正确率,并将其绘制成曲线。我们还保存了测试集上表现最佳的模型,并在测试集上展示了该模型的性能以及混淆矩阵。最后,我们在扩充后的测试集上测试了最佳模型的性能。

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