简单的梯度运算

理论

有矩阵 $\mathbf{A} = [\mathbf{a}_1, \mathbf{a}_2, \cdots, \mathbf{a}_m]^T \in \mathbb{R}^{m \times n}$，和向量 $\mathbf{x} = [x_1, x_2, \cdots, x_n]^T \in \mathbb{R}^{n}$，则有：

$$\mathbf{Ax} = \begin{bmatrix} \mathbf{a}_1^T \mathbf{x} \\ \mathbf{a}_2^T \mathbf{x} \\ \vdots \\ \mathbf{a}_m^T \mathbf{x} \end{bmatrix}$$

又有：

$$\nabla_{\mathbf{x}} \mathbf{a}_i^T \mathbf{x} = \mathbf{a}_i$$ $$\mathbf{1}^T \mathbf{A} \mathbf{x} = \langle \mathbf{1}, \mathbf{Ax} \rangle = \langle \mathbf{A}^T \mathbf{1}, \mathbf{x} \rangle$$

所以，

$$\nabla_{\mathbf{x}} \mathbf{1}^T \mathbf{A} \mathbf{x} = \nabla_{\mathbf{x}} \sum_{i=1}^m \mathbf{a}_i^T \mathbf{x} = \sum_{i=1}^m \mathbf{a}_i = \mathbf{A}^T \mathbf{1}_{m \times 1} = \mathbf{A}^T \mathbf{1}$$

这样，有：

$$\nabla_{\mathbf{x}} \mathbf{Ax} = \nabla_{\mathbf{x}} \langle \mathbf{A}^T, \mathbf{x} \mathbf{1}^T \rangle = \mathbf{A}^T$$ $$\nabla_{\mathbf{x}} \mathbf{x}^\top \mathbf{A} = \mathbf{A}$$ $$\nabla_{\mathbf{x}} \mathbf{x}^\top \mathbf{A} \mathbf{x} = (\mathbf{A} + \mathbf{A}^\top)\mathbf{x}$$ $$\nabla_{\mathbf{x}} \|\mathbf{x} \|^2 = \nabla_{\mathbf{x}} \mathbf{x}^\top \mathbf{x} = 2\mathbf{x}$$ $$\nabla_{\mathbf{X}} \|\mathbf{X} \|_F^2 = 2\mathbf{X}$$

即：

$$\nabla_{\mathbf{x}} \langle f(\mathbf{x}), g(\mathbf{x}) \rangle = \langle \nabla{_\mathbf{x}} f(\mathbf{x}), g(\mathbf{x}) \rangle + \langle f(\mathbf{x}), \nabla_{\mathbf{x}} g(\mathbf{x}) \rangle$$

下面看一个例子：

一个例子

MXNet

python

python

from xint import utils
from xint import mxnet as xint

np = xint.np

TensorFlow

python

python

from xint import utils
from xint import tensorflow as xint

np = xint.np

PyTorch

python

python

from xint import utils
from xint import torch as xint

np = xint.np

创建张量 $\mathbf{x}$：

python

python

x = np.arange(4.0).reshape(4, 1)

计算函数 $y = 2\mathbf{x}^{\top}\mathbf{x}$ 的梯度：

MXNet

python

python

# 我们通过调用`attach_grad`来为一个张量的梯度分配内存
x.attach_grad()
# 在我们计算关于`x`的梯度后，我们将能够通过'grad'属性访问它，它的值被初始化为0
x.grad

TensorFlow

python

python

x = tf.Variable(x)

PyTorch

python

python

x.requires_grad_(True)  # 等价于 `x = torch.arange(4.0, requires_grad=True)`
x.grad  # 默认值是None

现在让计算 $y$：

MXNet

python

python

from mxnet import autograd
# 把代码放到`autograd.record`内，以建立计算图
with autograd.record():
    y = 2 * x.T @ x
float(y)

TensorFlow

python

python

# 把所有计算记录在磁带上
with tf.GradientTape() as t:
    y = 2 * tf.transpose(x) @ x
float(y)

PyTorch

python

python

y = 2 * x.T @ x
float(y)

28.0

接下来，我们可以通过调用反向传播函数来自动计算 $y$ 关于 $\mathbf{x}$ 每个分量的梯度，并打印这些梯度：

MXNet

python

python

y.backward()
x.grad

array([[ 0.], [ 4.], [ 8.], [12.]])

TensorFlow

python

python

# 把所有计算记录在磁带上
with tf.GradientTape() as t:
    y = 2 * tf.transpose(x) @ x
float(y)

<tf.Tensor: shape=(4, 1), dtype=float64, numpy= array([[ 0.], [ 4.], [ 8.], [12.]])>

PyTorch

python

python

y.backward()
x.grad

tensor([[ 0.], [ 8.], [16.], [24.]])

可以计算 $\mathbf{x}$ 的另一个函数：

MXNet

python

python

with autograd.record():
    y = x.sum()
y.backward()
x.grad  # 被新计算的梯度覆盖

array([[1.], [1.], [1.], [1.]])

TensorFlow

python

python

with tf.GradientTape() as t:
    y = tf.reduce_sum(x)
t.gradient(y, x)  # 被新计算的梯度覆盖

<tf.Tensor: shape=(4, 1), dtype=float64, numpy= array([[1.], [1.], [1.], [1.]])>

PyTorch

python

python

# 在默认情况下，PyTorch会累积梯度，我们需要清除之前的值
x.grad.zero_()
y = x.sum()
y.backward()
x.grad

tensor([[1.], [1.], [1.], [1.]])

注意：对于非标量变量的反向传播，MXNet/TensorFlow 直接调用相应的函数即可获得梯度，但是 Pytorch 不支持直接对非标量进行反向传播，故而需要先对其求和，再求梯度。比如：

MXNet

python

python

# 当我们对向量值变量`y`（关于`x`的函数）调用`backward`时，
# 将通过对`y`中的元素求和来创建一个新的标量变量。然后计算这个标量变量相对于`x`的梯度
with autograd.record():
    y = x * x  # `y`是一个向量
y.backward()
x.grad  # 等价于y = sum(x * x)

TensorFlow

python

python

with tf.GradientTape() as t:
    y = x * x
t.gradient(y, x)  # 等价于 `y = tf.reduce_sum(x * x)`

PyTorch

python

python

# 对非标量调用`backward`需要传入一个`gradient`参数，该参数指定微分函数关于`self`的梯度。
## 在我们的例子中，我们只想求偏导数的和，所以传递一个1的梯度是合适的
x.grad.zero_()
y = x * x
# 等价于y.backward(torch.ones(len(x)))
y.sum().backward()
x.grad

分离计算

有时，我们希望将某些计算移动到记录的计算图之外。例如，假设 $\mathbf{y}$ 是作为 $\mathbf{x}$ 的函数计算的，而 $\mathbf{z}$ 则是作为 $\mathbf{y}$ 和 $\mathbf{x}$ 的函数计算的。现在，想象一下，我们想计算 $\mathbf{z}$ 关于 $\mathbf{x}$ 的梯度，但由于某种原因，我们希望将 $\mathbf{y}$ 视为一个常数，并且只考虑到 $\mathbf{x}$ 在 $\mathbf{y}$ 被计算后发挥的作用。

在这里，我们可以分离 $\mathbf{y}$ 来返回一个新变量 $u$，该变量与 $\mathbf{y}$ 具有相同的值，但截断计算图中关于如何计算 $\mathbf{y}$ 的任何信息。换句话说，梯度不会向后流经 $u$ 到 $\mathbf{x}$。因此，下面的反向传播函数计算 $\mathbf{z} = u * \mathbf{x}$ 关于 $\mathbf{x}$ 的偏导数，同时将 $u$ 作为常数处理，而不是 $\mathbf{z} = \mathbf{x} * \mathbf{x} * \mathbf{x}$ 关于 $\mathbf{x}$ 的偏导数。

MXNet

python

python

with autograd.record():
    y = x * x
    u = y.detach()
    z = u * x
z.backward()
x.grad == u

TensorFlow

python

python

# 设置 `persistent=True` 来运行 `t.gradient`多次
with tf.GradientTape(persistent=True) as t:
    y = x * x
    u = tf.stop_gradient(y)
    z = u * x

x_grad = t.gradient(z, x)
x_grad == u

PyTorch

python

python

x.grad.zero_()
y = x * x
u = y.detach()
z = u * x

z.sum().backward()
x.grad == u

通用微分函数

令 $f: \mathbb{R}^n \rightarrow \mathbb{R}$，$\mathbf{x} = [x_1, x_2, \ldots, x_n]^\top$，有

$$\nabla_{\mathbf{x}} f(\mathbf{x}) = \bigg[\frac{\partial f(\mathbf{x})}{\partial x_1}, \frac{\partial f(\mathbf{x})}{\partial x_2}, \ldots, \frac{\partial f(\mathbf{x})}{\partial x_n}\bigg]^\top$$

若有 $\mathbf{y} = [y_1, y_2, \ldots, y_m]^\top$，$x \in \mathbb{R}$，则：

$$\frac{\partial \mathbf{y}}{\partial x} = \bigg[\frac{\partial y_1}{\partial x}, \frac{\partial y_2}{\partial x}, \ldots, \frac{\partial y_m}{\partial x}\bigg]^\top$$

还有，

$$\frac{\partial \mathbf{y}}{\partial \mathbf{x}} = \bigg[\frac{\partial y_1}{\partial \mathbf{x}}, \frac{\partial y_2}{\partial \mathbf{x}}, \ldots, \frac{\partial y_m}{\partial \mathbf{x}}\bigg]^\top = \begin{bmatrix} \frac{\partial y_1}{\partial x_1} & \frac{\partial y_1}{\partial x_2} &\cdots &\frac{\partial y_1}{\partial x_n} \\ \frac{\partial y_2}{\partial x_1} & \frac{\partial y_2}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial y_2}{\partial x_n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial y_m}{\partial x_1} & \frac{\partial y_m}{\partial x_2} & \cdots & \frac{\partial y_m}{\partial x_n} \end{bmatrix}$$