pytorch分别用MLP和RNN拟合sinx

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理论上带有一个非线性函数的网络能够拟合任意函数。那显然MLP和RNN是科研拟合sinx的。
开头先把结果给展示出来，然后是代码，最后是我的过程。懒得看的直接看前半部分行了，过程给有兴趣的人看看。

先上结果图

注：每次训练torch初始化有不同，所以结果有出入。

代码

乍一看挺多的，实际上简单得一批。只不过是定义了两个网络，训练了两次，展示图片的重复代码而已。具体代码已经注释。

import torch
import math
import matplotlib.pyplot as plt




class MLP(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.layer1=torch.nn.Linear(1,16)
        self.layer2=torch.nn.Linear(16,16)
        self.layer3=torch.nn.Linear(16,1)

    def forward(self,x):
        x=self.layer1(x)
        x=torch.nn.functional.relu(x)

        x=self.layer2(x)
        x=torch.nn.functional.relu(x)

        x=self.layer3(x)

        return x

# rnn takes 3d input while mlp only takes 2d input
class RecNN(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.rnn=torch.nn.LSTM(input_size=1,hidden_size=2,num_layers=1,batch_first=True)
        #至于这个线性层为什么是2维度接收，要看最后网络输出的维度是否匹配label的维度
        self.linear=torch.nn.Linear(2,1)
        
    def forward(self,x):
        # print("x shape: {}".format(x.shape))
        # x [batch_size, seq_len, input_size]
        output,hn=self.rnn(x)
        # print("output shape: {}".format(output.shape))
        # out [seq_len, batch_size, hidden_size]
        x=output.reshape(-1,2)
	
        # print("after change shape: {}".format(x.shape))
        x=self.linear(x)

        # print("after linear shape: {}".format(x.shape))

        return x

def PlotCurve(mlp, rnn, input_x, x):
    # input_x 是输入网络的x。
    # sin_x 是列表，x的取值，一维数据、
    # 虽然他们的内容（不是维度）是一样的。可以print shape看一下。
    mlp_eval = mlp.eval()
    rnn_eval = rnn.eval()
    mlp_y = mlp_eval(input_x)
    rnn_y = rnn_eval(input_x.unsqueeze(0))

    plt.figure(figsize=(6, 8))

    plt.subplot(211)
    plt.plot([i + 1 for i in range(EPOCH)], mlp_loss, label='MLP')
    plt.plot([i + 1 for i in range(EPOCH)], rnn_loss, label='RNN')
    plt.title('loss')
    plt.legend()

    plt.subplot(212)
    plt.plot(x, torch.sin(x), label="original", linewidth=3)
    plt.plot(x, [y[0] for y in mlp_y], label='MLP')
    plt.plot(x, [y[0] for y in rnn_y], label='RNN')
    plt.title('evaluation')
    plt.legend()

    plt.tight_layout()
    plt.show()

#常量都取出来，以便改动
EPOCH=1000
RNN_LR=0.01
MLP_LR=0.001
left,right=-10,10
PI=math.pi

if __name__ == '__main__':
    mlp=MLP()
    rnn=RecNN()

    # x,y 是普通sinx 的torch tensor
    x = torch.tensor([num * PI / 4 for num in range(left, right)])
    y = torch.sin(x)
    # input_x和labels是训练网络时候用的输入和标签。
    input_x=x.reshape(-1, 1)
    labels=y.reshape(-1,1)


    #训练mlp
    mlp_optimizer=torch.optim.Adam(mlp.parameters(), lr=MLP_LR)
    mlp_loss=[]
    for epoch in range(EPOCH):
        preds=mlp(input_x)
        loss=torch.nn.functional.mse_loss(preds,labels)

        mlp_optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        mlp_optimizer.step()
        mlp_loss.append(loss.item())

    #训练rnn
    rnn_optimizer=torch.optim.Adam(rnn.parameters(),lr=RNN_LR)
    rnn_loss=[]
    for epoch in range(EPOCH):
        preds=rnn(input_x.unsqueeze(0))
        # print(x.unsqueeze(0).shape)
        # print(preds.shape)
        # print(labels.shape)
        loss=torch.nn.functional.mse_loss(preds,labels)

        rnn_optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        rnn_optimizer.step()
        rnn_loss.append(loss.item())

    PlotCurve(mlp, rnn, input_x, x)

一些注意的点（过程）

1. 有些人的代码是多加了dalaloader来做了数据集的loader，我个人认为没啥必要，这么简单的东西。当然加了loader或许更加符合习惯。
2. 为什么数据只取了20个（从left到right只有sinx的20个数据）？我一开始是从-128附近取到了128附近，但是发现训练效果奇差无比，怀疑人生了都。这仅仅取了20个数据，都需要1000次训练，更大的数据集的时间代价可见一斑。
3. RNN的lr是0.01，MLP的是0.001？这个也是根据loss的图来调节的，0.001在我这个rnn里并不适合，训练太慢了。而且为了和mlp的EPOCH保持一致，就换了0.01的学习率。但是为什么RNN比MLP下降的慢？这个有待进一步讨论（当然是因为我太菜了）。
4. 关于loss function，为什么用mse loss？随便选的。我又换了l1_loss和其他的loss试了，效果差不多，毕竟这么简单的函数拟合，什么损失函数无所谓了。
5. 论文指出，RNN系列网络比MLP拟合时间序列数据能力更强，为什么这次训练反而比MLP下降更慢？不仅如此，其实如果多次比较MLP和RNN的拟合效果，发现MLP效果更稳定更好一些，这又是为什么呢？有待进一步探讨。