PyTorch可视化动态调整学习率lr

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2. 对知识点记录、总结，加深理解
3. 给有需要的人一些帮助，少踩一个坑，多走几步路

尽量以合适的方式排版，图文兼有
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文章目录

• 动态学习率
• • CosineAnnealingLR
  • CosineAnnealingWarmRestarts
  • StepLR
  • MultiStepLR
  • ExponentialLR
  • ReduceLROnPlateau
  • CyclicLR
  • OneCycleLR
  • LambdaLR

动态学习率

因为经常会使用到动态学习率，将其可视化会更好理解。

optimizer提供初始lr

lr_scheduler的step()从lr变化到eta_min

如果初始设置的lr比eta_min大，则先减小到eta_min，再增大到lr

如果初始设置的lr比eta_min小，则先增大到eta_min，再减小到lr

CosineAnnealingLR

torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max, eta_min=0, last_epoch=-1, verbose=False)

CosineAnnealingLR：余弦退火学习率，T_max为半周期，每经过2*T_max之后lr回到原来的值，eta_min与optimizer的lr作比较，大的为最大值，小的为最小值，从lr到eta_min按余弦更新

T_max：经过多少个iter，学习率达到最大值
eta_min：学习率最小值

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-5, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=30, eta_min=0.01)

EPOCHS = 100
x = list(range(EPOCHS))
y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    optimizer.zero_grad()
    optimizer.step()
    y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
    scheduler.step()


# 画出lr的变化  
plt.figure()  
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("CosineAnnealingLR")
plt.show()

CosineAnnealingWarmRestarts

torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingWarmRestarts(optimizer, T_0, T_mult=1, eta_min=0, last_epoch=-1, verbose=False)

CosineAnnealingWarmRestarts：带热重启的余弦退火
SGDR: Stochastic Gradient Descent with Warm Restarts.
T_0：第一次restart的迭代次数。
T_mult：restart之后增加 Ti 的因子，大于1的整数
eta_min：学习率最小值

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.CosineAnnealingWarmRestarts(optimizer, T_0=20, T_mult=1, eta_min=1e-7)

EPOCHS = 100
dataloader = list(range(10))
iters = len(dataloader)
y = []
for epoch in range(EPOCHS):
    for i, sample in enumerate(dataloader):
        optimizer.zero_grad()
        optimizer.step()
        y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
        scheduler.step(epoch + i / iters)

# 画出lr的变化
plt.figure()   
x = list(range(len(y)))
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("CosineAnnealingWarmRestarts")
plt.show()

StepLR

torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size, gamma=0.1, last_epoch=-1, verbose=False)

StepLR：阶梯学习率。每隔相同step_size更新一次lr，改变gamma倍。

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=20, gamma=0.1)

EPOCHS = 100
y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    optimizer.zero_grad()
    optimizer.step()
    y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
    scheduler.step()

# 画出lr的变化    
x = list(range(EPOCHS))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("StepLR")
plt.show()

MultiStepLR

torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR(optimizer, milestones, gamma=0.1, last_epoch=-1, verbose=False)

MultiStepLR：多阶梯学习率。milestones对应位置更新一次lr，改变gamma倍。

与StepLR的差别是StepLR是每隔相同step_size更新一次lr；
而MultiStepLR是为milestones提供一个list，每到milestones的一个元素更新一次lr。

注意：milestones的元素必须是随索引增长的，即后一个元素必须比前一个元素大。

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.MultiStepLR(optimizer, milestones=[20,40,80], gamma=0.1)

EPOCHS = 100
y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    optimizer.zero_grad()
    optimizer.step()
    y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
    scheduler.step()

# 画出lr的变化    
x = list(range(EPOCHS))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("MultiStepLR")
plt.show()

ExponentialLR

torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR(optimizer, gamma, last_epoch=-1, verbose=False)

ExponentialLR：指数学习率。每次更新为lr *= gamma

相当于StepLR的step_size=1
scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=1, gamma=0.9)

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.ExponentialLR(optimizer, gamma=0.9)

EPOCHS = 100
y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    optimizer.zero_grad()
    optimizer.step()
    y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
    scheduler.step()

# 画出lr的变化    
x = list(range(EPOCHS))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("ExponentialLR")
plt.show()

ReduceLRonPlateau

torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='min', factor=0.1, patience=10, threshold=0.0001, threshold_mode='rel', cooldown=0, min_lr=0, eps=1e-08, verbose=False)

ReduceLROnPlateau：当指标停止改进时降低学习率。scheduler.step(val_loss)，给传入scheduler某个指标（比如val_loss或者val_acc），当patience个周期中这个指标变化小于threshold时将lr衰减factor倍，如果新旧lr之间的差异小于eps，则忽略更新。

注意：跟其他scheduler不太一样的地方是：scheduler.step(val_loss)需要传参，没办法通过get_last_lr或get_lr得到lr

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='min', factor=0.1, patience=5, threshold=0.0001, threshold_mode='rel', cooldown=0, min_lr=0, eps=1e-08, verbose=False)

EPOCHS = 100
y = []
val_loss = 10
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    optimizer.zero_grad()
    optimizer.step()
    if epoch%10 == 0:
        val_loss *= 0.1
    y.append(optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr'])
    scheduler.step(val_loss)

# 画出lr的变化    
x = list(range(EPOCHS))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("ReduceLROnPlateau")
plt.show()

CyclicLR

torch.optim.lr_scheduler.CyclicLR(optimizer, base_lr, max_lr, step_size_up=2000, step_size_down=None, mode='triangular', gamma=1.0, scale_fn=None, scale_mode='cycle', cycle_momentum=True, base_momentum=0.8, max_momentum=0.9, last_epoch=-1, verbose=False)

CyclicLR：循环学习率策略在每批之后改变学习率。应在批次用于训练后调用步骤。
base_lr：初始学习率，即各参数组在循环中的下边界。
max_lr：每个参数组在循环中的上学习率边界。
step_size_up：学习率上升的迭代次数，参考代码和图片更易理解。
step_size_down：学习率下降的迭代次数，参考代码和图片更易理解。
mode 的参数有：triangular，triangular2，exp_range
scale_fn：由单个参数 lambda 函数定义的自定义缩放策略，其中 0 <= scale_fn(x) <= 1 for all x >= 0。如果指定，则忽略mode参数
scale_mode：参数有：cycle，iterations

step_size_up和step_size_down配合调整形态，step_size_down为None则默认step_size_down=step_size_up

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.CyclicLR(optimizer, base_lr=0.01, max_lr=0.0001, step_size_up=2000, step_size_down=500, mode='triangular')  #mode in ['triangular', 'triangular2', 'exp_range']

EPOCHS = 100
dataloader = list(range(100))
y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    for batch in dataloader:
        optimizer.zero_grad()
        optimizer.step()
        y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
        scheduler.step()

# 画出lr的变化   
x = list(range(len(y)))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("CyclicLR")
plt.show()

oneCycleLR

torch.optim.lr_scheduler.OneCycleLR(optimizer, max_lr, total_steps=None, epochs=None, steps_per_epoch=None, pct_start=0.3, anneal_strategy='cos', cycle_momentum=True, base_momentum=0.85, max_momentum=0.95, div_factor=25.0, final_div_factor=10000.0, three_phase=False, last_epoch=-1, verbose=False)

OneCycleLR：oneCycle 学习率策略在每个batch之后改变学习率。应在每个batch训练后调用step()。学习率与optimizer设置的学习率完全无关。

根据OneCycle学习率策略设置每个参数组的学习率。 oneCycle 策略将学习率从初始学习率退火到某个最大学习率，然后从该最大学习率退火到远低于初始学习率的某个最小学习率。

循环中的总步骤数可以通过以下两种方式之一确定（按优先顺序列出）：
1.提供了 total_steps 的值。
2.了多个时代 (epoch) 和每个时代的多个步骤 (steps_per_epoch)。在这种情况下，总步数由 total_steps = epochs * steps_per_epoch 推断

pct_start：于提高学习率的周期百分比（以步数计）。就是上升阶段的占比
div_factor：通过initial_lr = max_lr/div_factor确定初始学习率
final_div_factor：通过min_lr = initial_lr/final_div_factor确定最小学习率

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

EPOCHS = 100
dataloader = list(range(100))
model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
scheduler = optim.lr_scheduler.OneCycleLR(optimizer, max_lr=0.01, total_steps=None, epochs=EPOCHS, steps_per_epoch=len(dataloader), pct_start=0.1, anneal_strategy='cos')  # anneal_strategy:'cos', 'linear'

y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    for batch in dataloader:
        optimizer.zero_grad()
        optimizer.step()
        y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
        scheduler.step()

# 画出lr的变化   
x = list(range(len(y)))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("step")
plt.ylabel("lr")
plt.title("OneCycleLR")
plt.show()

LambdaLR

torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda, last_epoch=-1, verbose=False)

LambdaLR：按照自定义规则更新lr

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)
y1=0.0
y2=1.0
steps=100
lf = lambda x: ((1 - math.cos(x * math.pi / steps)) / 2) * (y2 - y1) + y1
scheduler = optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lf)

EPOCHS = 100
y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    optimizer.zero_grad()
    optimizer.step()
    y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
    scheduler.step()

# 画出lr的变化    
x = list(range(EPOCHS))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("LambdaLR")
plt.show()

import torch
from torchvision.models import AlexNet
from torch import optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math

model = AlexNet(num_classes=2)

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=False)

lambda1 = lambda epoch: epoch // 30
lambda2 = lambda epoch: 0.95 ** epoch
scheduler = optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lambda2)

EPOCHS = 100
y = []
for epoch in range(1,EPOCHS+1):
    optimizer.zero_grad()
    optimizer.step()
    y.append(scheduler.get_last_lr()[0])
    scheduler.step()

# 画出lr的变化    
x = list(range(EPOCHS))
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("lr")
plt.title("LambdaLR")
plt.show()

参考：https://pytorch.org/docs/stable/optim.html

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