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用多层感知机(MLP)学习两个数的加法:从训练到推理的完整实践

花韻仙語

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发布时间:2026-02-18 21:59:16

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来源于php中文网

原创

用多层感知机(MLP)学习两个数的加法:从训练到推理的完整实践

本文详解如何使用 pytorch 构建一个极简 mlp 模型来学习实数加法,涵盖数据生成、模型训练、推理预测及结果验证,并指出关键实现细节(如学习率调整、前向调用方式)以确保模型准确收敛并支持任意新样本预测。

本文详解如何使用 pytorch 构建一个极简 mlp 模型来学习实数加法,涵盖数据生成、模型训练、推理预测及结果验证,并指出关键实现细节(如学习率调整、前向调用方式)以确保模型准确收敛并支持任意新样本预测。

在深度学习入门实践中,“让神经网络学会加法”是一个经典而富有启发性的任务——它虽简单,却能清晰揭示模型拟合本质、优化行为与泛化能力。本文将基于 PyTorch 实现一个仅含单层线性变换的多层感知机(MLP),从零开始训练其精确学习函数 $ f(x_1, x_2) = x_1 + x_2 $,并重点解决用户提出的核心问题:如何对训练好的模型进行推理(inference),即输入任意两个新数字,获取预测和结果?

✅ 正确的推理方式:前向传播即预测

与生成式模型(如 GAN、Diffusion)不同,本任务中的 MLP 是一个确定性回归模型,不提供 .generate() 方法(该方法常见于 torch.nn.Transformer 或 Hugging Face 的 GenerationMixin 模型)。正确做法是直接调用模型对象传入输入张量:

y_pred = model(X_new)  # X_new shape: (batch_size, 2)

这是 PyTorch 中所有 nn.Module 子类的标准前向接口,无需额外封装或特殊方法。

Lenso.ai
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? 完整可运行示例(含训练+推理+验证)

以下代码实现了端到端流程,已修复原问题中两个关键点:

  • 将学习率从 1e-2 提升至 1e-1,显著加速收敛;
  • 移除错误的 model.generate(...) 调用,改用标准前向传播。
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

torch.manual_seed(42)

# 数据配置
N, D, C = 1000, 2, 1
X = torch.rand(N, D)                              # 形状: [1000, 2]
y = X.sum(dim=1, keepdim=True)                    # 形状: [1000, 1]

print(f"X.shape: {X.shape}, y.shape: {y.shape}")
print(f"X[:5]:\n{X[:5]}")
print(f"y[:5]:\n{y[:5]}")

# 模型定义:单层线性层(等价于 y = w1*x1 + w2*x2 + b)
model = nn.Sequential(nn.Linear(D, C))

criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-1)  # 关键:更高学习率提升收敛速度

# 训练循环
print("\n▶ 开始训练...")
for epoch in range(500):
    y_pred = model(X)
    loss = criterion(y_pred, y)

    loss.backward()
    optimizer.step()
    optimizer.zero_grad()

    if epoch % 50 == 0:
        print(f"Epoch {epoch+1:3d} | Loss: {loss.item():.2e}")

# ✅ 推理阶段:对全新随机样本进行预测
print("\n▶ 在未见数据上测试模型...")
with torch.no_grad():  # 推理时禁用梯度,节省内存并加速
    for _ in range(5):
        X_new = torch.rand(1, D)              # 单样本,形状 [1, 2]
        y_pred = model(X_new).item()         # 获取标量预测值
        true_sum = X_new.sum().item()

        print(f"{X_new[0, 0].item():.2f} + {X_new[0, 1].item():.2f} "
              f"= {true_sum:.2f} | 预测: {y_pred:.2f}")

# 查看模型学到了什么
print(f"\n? 模型参数解析:")
state_dict = model.state_dict()
print(f"权重 w = {state_dict['0.weight'].flatten().tolist()}")   # 应趋近 [1.0, 1.0]
print(f"偏置 b = {state_dict['0.bias'].item():.2e}")             # 应趋近 0

⚠️ 注意事项与原理说明

  • 为什么不用 .generate()?
    generate() 是为自回归序列生成(如文本、语音)设计的高级接口,依赖 forward() + logits + sampling 等复杂逻辑。本任务是单步回归,直接调用 model(input) 即完成预测。

  • 为何学习率需调高?
    原 lr=1e-2 下损失下降缓慢(见原始日志),而 lr=1e-1 可在约 200 轮内使 MSE 降至 $10^{-15}$ 量级,表明模型已近乎完美拟合目标函数。

  • 模型本质是线性回归
    由于加法是线性操作,单层线性模型(无激活函数)理论上可精确表示。训练后权重收敛至 [1.0, 1.0]、偏置接近 0,印证了模型成功归纳出数学规律。

  • 泛化能力验证
    测试样本来自相同分布(torch.rand),但完全独立于训练集。预测误差通常小于 $10^{-6}$,证明模型不仅记忆训练样本,更掌握了加法的通用映射关系。

✅ 总结

通过本实践,你已掌握:
✅ 使用 model(X) 进行标准前向推理;
✅ 合理设置超参(如学习率)以保障收敛;
✅ 利用 torch.no_grad() 提升推理效率;
✅ 解析 state_dict() 验证模型是否学到预期规律。
这不仅是“学会加法”,更是理解神经网络作为通用函数逼近器的最小可行范例——下一步,可尝试加入非线性激活、扩展至三数相加,或引入噪声检验鲁棒性。

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