PaddlePaddle 自动求导

自动求导

在 PaddlePaddle 中使用自动求导来计算导数。

要求：$ f(x)=\sin{x} $,绘制 \(f(x)\) 和 \(\dfrac{\mathrm{d}f(x)}{\mathrm{d}x}\) 的图像，不能使用 $ f'(x)=\cos{x}$

in[1]

import paddle
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

x = paddle.to_tensor(np.arange(-5, 5, 0.01), dtype="float32", stop_gradient=False)
y = paddle.sin(x)
paddle.autograd.backward(y)
dydx = x.grad

x, y, dydx

plt.plot(x, y)
plt.plot(x, dydx)

plt.show()

output[1]

API

backward

paddle.autograd.backward(tensors, grad_tensors=None, retain_graph=False)

计算给定的 Tensors 的反向梯度。

参数

• tensors (list[Tensor]) – 将要计算梯度的 Tensors 列表。Tensors 中不能包含有相同的 Tensor。
• grad_tensors (None|list[Tensor|None]，可选) – tensors 的初始梯度值。如果非 None，必须和 tensors 有相同的长度，并且如果其中某一 Tensor 元素为 None，则该初始梯度值为填充 1.0 的默认值；如果是 None，所有的 tensors 的初始梯度值为填充 1.0 的默认值。默认值：None。
• retain_graph (bool，可选) – 如果为 False，反向计算图将被释放。如果在 backward()之后继续添加 OP，需要设置为 True，此时之前的反向计算图会保留。将其设置为 False 会更加节省内存。默认值：False。

返回

None

代码示例

import paddle
x = paddle.to_tensor([[1, 2], [3, 4]], dtype='float32', stop_gradient=False)
y = paddle.to_tensor([[3, 2], [3, 4]], dtype='float32')

grad_tensor1 = paddle.to_tensor([[1,2], [2, 3]], dtype='float32')
grad_tensor2 = paddle.to_tensor([[1,1], [1, 1]], dtype='float32')

z1 = paddle.matmul(x, y)
z2 = paddle.matmul(x, y)

paddle.autograd.backward([z1, z2], [grad_tensor1, grad_tensor2], True)
print(x.grad)
#[[12. 18.]
# [17. 25.]]

x.clear_grad()

paddle.autograd.backward([z1, z2], [grad_tensor1, None], True)
print(x.grad)
#[[12. 18.]
# [17. 25.]]

x.clear_grad()

paddle.autograd.backward([z1, z2])
print(x.grad)
#[[10. 14.]
# [10. 14.]]

grad

paddle.grad(outputs, inputs, grad_outputs=None, retain_graph=None, create_graph=False, only_inputs=True, allow_unused=False, no_grad_vars=None)

对于每个 inputs，计算所有 outputs 相对于其的梯度和。

参数

• outputs (Tensor|list(Tensor)|tuple(Tensor)) – 用于计算梯度的图的输出变量，或多个输出变量构成的 list/tuple。
• inputs (Tensor|list(Tensor)|tuple(Tensor)) - 用于计算梯度的图的输入变量，或多个输入变量构成的 list/tuple。该 API 的每个返回值对应每个 inputs 的梯度。
• grad_outputs (Tensor|list(Tensor|None)|tuple(Tensor|None)，可选) - outputs 变量梯度的初始值。若 grad_outputs 为 None，则 outputs 梯度的初始值均为全 1 的 Tensor。若 grad_outputs 不为 None，它必须与 outputs 的长度相等，此时，若 grad_outputs 的第 i 个元素为 None，则第 i 个 outputs 的梯度初始值为全 1 的 Tensor；若 grad_outputs 的第 i 个元素为 Tensor，则第 i 个 outputs 的梯度初始值为 grad_outputs 的第 i 个元素。默认值为 None。
• retain_graph (bool，可选) - 是否保留计算梯度的前向图。若值为 True，则前向图会保留，用户可对同一张图求两次反向。若值为 False，则前向图会释放。默认值为 None，表示值与 create_graph 相等。
• create_graph (bool，可选) - 是否创建计算过程中的反向图。若值为 True，则可支持计算高阶导数。若值为 False，则计算过程中的反向图会释放。默认值为 False。
• only_inputs (bool，可选) - 是否只计算 inputs 的梯度。若值为 False，则图中所有叶节点变量的梯度均会计算，并进行累加。若值为 True，则只会计算 inputs 的梯度。默认值为 True。only_inputs=False 功能正在开发中，目前尚不支持。
• allow_unused (bool，可选) - 决定当某些 inputs 变量不在计算图中时抛出错误还是返回 None。若某些 inputs 变量不在计算图中（即它们的梯度为 None），则当 allowed_unused=False 时会抛出错误，当 allow_unused=True 时会返回 None 作为这些变量的梯度。默认值为 False。
• no_grad_vars (Tensor|list(Tensor)|tuple(Tensor)|set(Tensor)，可选) - 指明不需要计算梯度的变量。默认值为 None。

返回

tuple(Tensor)，其长度等于 inputs 中的变量个数，且第 i 个返回的变量是所有 outputs 相对于第 i 个 inputs 的梯度之和。

代码示例 1

import paddle

def test_dygraph_grad(create_graph):
    x = paddle.ones(shape=[1], dtype='float32')
    x.stop_gradient = False
    y = x * x

    # Since y = x * x, dx = 2 * x
    dx = paddle.grad(
            outputs=[y],
            inputs=[x],
            create_graph=create_graph,
            retain_graph=True)[0]

    z = y + dx

    # If create_graph = False, the gradient of dx
    # would not be backpropagated. Therefore,
    # z = x * x + dx, and x.gradient() = 2 * x = 2.0

    # If create_graph = True, the gradient of dx
    # would be backpropagated. Therefore,
    # z = x * x + dx = x * x + 2 * x, and
    # x.gradient() = 2 * x + 2 = 4.0

    z.backward()
    return x.gradient()

print(test_dygraph_grad(create_graph=False)) # [2.]
print(test_dygraph_grad(create_graph=True)) # [4.]

代码示例 2

import paddle

def test_dygraph_grad(grad_outputs=None):
    x = paddle.to_tensor(2.0)
    x.stop_gradient = False

    y1 = x * x
    y2 = x * 3

    # If grad_outputs=None, dy1 = [1], dy2 = [1].
    # If grad_outputs=[g1, g2], then:
    #    - dy1 = [1] if g1 is None else g1
    #    - dy2 = [1] if g2 is None else g2

    # Since y1 = x * x, dx = 2 * x * dy1.
    # Since y2 = x * 3, dx = 3 * dy2.
    # Therefore, the final result would be:
    # dx = 2 * x * dy1 + 3 * dy2 = 4 * dy1 + 3 * dy2.

    dx = paddle.grad(
        outputs=[y1, y2],
        inputs=[x],
        grad_outputs=grad_outputs)[0]

    return dx.numpy()

grad_value = paddle.to_tensor(4.0)

# dy1 = [1], dy2 = [1]
print(test_dygraph_grad(None)) # [7.]

# dy1 = [1], dy2 = [4]
print(test_dygraph_grad([None, grad_value])) # [16.]

# dy1 = [4], dy2 = [1]
print(test_dygraph_grad([grad_value, None])) # [19.]

# dy1 = [3], dy2 = [4]
grad_y1 = paddle.to_tensor(3.0)
print(test_dygraph_grad([grad_y1, grad_value])) # [24.]