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pytorch梯度机制，计算梯度注意事项
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在一些优化算法中，常常需要计算函数的梯度，在pytorch可以借助autograd机制来自动计算梯度值。
假设 ，关于 的梯度记为 ， 是关于变量 的函数，其梯度 是随着 的值变化而变化的，决定梯度的除了 自身的值以外还有施加在 上的运算。因此，关注梯度就是关注两个东西，求哪个 变量 的梯度，该变量上被施加了哪种 运算 。
首先看 变量 ：在pytorch中把梯度作为一个固有属性结合进张量(tensor)，任何一个tensor类型的变量都有梯度(grad)属性，再结合一般场景下的需要，pytorch把 tensor 类型定义为一个对象，包括5个属性，分别对应 data （变量本身的值）， grad （梯度值）， requires_grad （是否需要梯度，很多场景都不需要求变量的微分）， grad_fn （生成该变量结果的运算，即这个值通过什么运算来的）， is_leaf （是否叶子节点，叶子才帮你算梯度）。
接着看 运算 ：在pytorch中没有显式的给出梯度函数表达，而是算出梯度值，存放在tensor类型变量的grad属性中，那么运算也一样用结果来表达，假设 ，这里的 就承载了运算的结果，因此需要求 的梯度值时就对 使用 backward() 方法来计算 的梯度。
上面提到计算梯度的两个要素： 变量 和 运算 ，对应的pytorch机制是 tensor 对象和 backward 方法。因此计算梯度就是学会怎么用这俩货。具体的例子这边不写，各位大神写的很多了，不当搬运工了，推荐 参考资料3 ， 参考资料2 。这里说明两点，然后总结个过程。
（1）可求梯度的条件
从上面的叙述知道，一个变量有5个属性，要求这个变量可以求梯度，需要满足2个属性为真，requires_grad=True，is_leaf=True。在声明变量的时候声明requires_grad=True就可以了。在实践过程中如果发现梯度没法计算，要查一下这两个属性。
（2）回传结果类型
大部分情况是对标量求梯度，也是在 中， 是标量的情况，如果 向量或矩阵，也可以求梯度，此时本质上也是按分量一个一个来，因此要给backward()加个参数，一般情况下该参数的形状和 一样，每一个位置的值指示每个分量的梯度权重，多数情况就是全部设置为1。
（3）一般过程
仍然假设求 的关于 的梯度，首先设置声明tensor类型变量 ，声明的时候需要设置参数requires_grad=True；接下来计算出 ，这里的 是用来表示函数运算过程，最后使用 ，如果 非标量，就加个参数，假设为 ， 的形状与 相同，此时使用的是 ，要的梯度值可以通过 获得。
单独写个注意事项，计算变量 的梯度时， 的属性有可能会变化，比如需要对 进行迭代，假设为 ，那么 的requires_grad和is_leaf属性会变化，变得不可求梯度，那怎么办呢，其实程序迭代时只需要改变值就好了，使用 就可以了。
[1]
[2]
[3]
梯度的计算公式：gradu=aₓ（∂u/∂x）+aᵧ（∂u/∂y）+az（∂u/∂z）
梯度的本意是一个向量（矢量），表示某一函数在该点处的方向导数沿着该方向取得最大值，即函数在该点处沿着该方向（此梯度的方向）变化最快，变化率最大（为该梯度的模）。
扩展资料：
在向量微积分中，标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点上的梯度指向标量场增长最快的方向，梯度的长度是这个最大的变化率。更严格的说，从欧几里得空间Rn到R的函数的梯度是在Rn某一点最佳的线性近似。在这个意义上，梯度是雅可比矩阵的特殊情况。
在单变量的实值函数的情况，梯度只是导数，或者，对于一个线性函数，也就是线的斜率。
参考资料来源：
百度百科-梯度
上一期提到的图像阈值处理，不仅可以实现获取你想要的目标区域(作为mask使用)，还可以帮你获取图像的边缘信息，那关于图像边缘，本期将从另外的角度来处理。
对边缘信息与背景差异较大的场景，你也可以使用threshold分割，不过若阈值不好选取，Laplacian梯度算子就不失为一直尝试方案，而且上网看看，关于Laplacian算子还可以用来判断图像的模糊程度，这个在相机的自动对焦当中，是否可以尝试判断下？
不过处理的效果并不理想，图像低灰阶部分边缘信息丢失严重。
对于sobel，laplacian算子我们可以使用cv2.filter2D()来实现，配置相应的核模板即可，如实现提取水平方向边缘信息：
你可以依据实际的应用需求来配置提取边缘的角度信息，这里以45度角(垂直向下逆时针旋转45度)为例：
对此，你可以采用下面的方式来解决：
一、概观scipy中的optimize子包中提供了常用的最优化算法函数实现。我们可以直接调用这些函数完成我们的优化问题。optimize中函数最典型的特点就是能够从函数名称上看出是使用了什么算法。下面optimize包中函数的概览：1.非线性最优化fmin -- 简单Nelder-Mead算法fmin_powell -- 改进型Powell法fmin_bfgs -- 拟Newton法fmin_cg -- 非线性共轭梯度法fmin_ncg -- 线性搜索Newton共轭梯度法leastsq -- 最小二乘2.有约束的多元函数问题fmin_l_bfgs_b ---使用L-BFGS-B算法fmin_tnc ---梯度信息fmin_cobyla ---线性逼近fmin_slsqp ---序列最小二乘法nnls ---解|| Ax - b ||_2 for x=03.全局优化anneal ---模拟退火算法brute --强力法4.标量函数fminboundbrentgoldenbracket5.拟合curve_fit-- 使用非线性最小二乘法拟合6.标量函数求根brentq ---classic Brent (1973)brenth ---A variation on the classic Brent（1980）ridder ---Ridder是提出这个算法的人名bisect ---二分法newton ---牛顿法fixed_point7.多维函数求根fsolve ---通用broyden1 ---Broyden’s first Jacobian approximation.broyden2 ---Broyden’s second Jacobian approximationnewton_krylov ---Krylov approximation for inverse Jacobiananderson ---extended Anderson mixingexcitingmixing ---tuned diagonal Jacobian approximationlinearmixing ---scalar Jacobian approximationdiagbroyden ---diagonal Broyden Jacobian approximation8.实用函数line_search ---找到满足强Wolfe的alpha值check_grad ---通过和前向有限差分逼近比较检查梯度函数的正确性二、实战非线性最优化fmin完整的调用形式是：fmin(func, x0, args=(), xtol=0.0001, ftol=0.0001, maxiter=None, maxfun=None, full_output=0, disp=1, retall=0, callback=None)不过我们最常使用的就是前两个参数。一个描述优化问题的函数以及初值。后面的那些参数我们也很容易理解。如果您能用到，请自己研究。下面研究一个最简单的问题，来感受这个函数的使用方法：f(x)=x**2-4*x+8，我们知道，这个函数的最小值是4，在x=2的时候取到。from scipy.optimize import fmin #引入优化包def myfunc(x):return x**2-4*x+8 #定义函数x0 = [1.3] #猜一个初值xopt = fmin(myfunc, x0) #求解print xopt #打印结果运行之后，给出的结果是：Optimization terminated successfully.Current function value: 4.000000Iterations: 16Function evaluations: 32[ 2.00001953]程序准确的计算得出了最小值，不过最小值点并不是严格的2，这应该是由二进制机器编码误差造成的。除了fmin_ncg必须提供梯度信息外，其他几个函数的调用大同小异，完全类似。我们不妨做一个对比：from scipy.optimize import fmin,fmin_powell,fmin_bfgs,fmin_cgdef myfunc(x):return x**2-4*x+8x0 = [1.3]xopt1 = fmin(myfunc, x0)print xopt1printxopt2 = fmin_powell(myfunc, x0)print xopt2printxopt3 = fmin_bfgs(myfunc, x0)print xopt3printxopt4 = fmin_cg(myfunc,x0)print xopt4给出的结果是：Optimization terminated successfully.Current function value: 4.000000Iterations: 16Function evaluations: 32[ 2.00001953]Optimization terminated successfully.Current function value: 4.000000Iterations: 2Function evaluations: 531.99999999997Optimization terminated successfully.Current function value: 4.000000Iterations: 2Function evaluations: 12Gradient evaluations: 4[ 2.00000001]Optimization terminated successfully.Current function value: 4.000000Iterations: 2Function evaluations: 15Gradient evaluations: 5[ 2.]我们可以根据给出的消息直观的判断算法的执行情况。每一种算法数学上的问题，请自己看书学习。个人感觉，如果不是纯研究数学的工作，没必要搞清楚那些推导以及定理云云。不过，必须了解每一种算法的优劣以及能力所及。在使用的时候，不妨多种算法都使用一下，看看效果分别如何，同时，还可以互相印证算法失效的问题。在from scipy.optimize import fmin之后，就可以使用help(fmin)来查看fmin的帮助信息了。帮助信息中没有例子，但是给出了每一个参数的含义说明，这是调用函数时候的最有价值参考。有源码研究癖好的，或者当你需要改进这些已经实现的算法的时候，可能需要查看optimize中的每种算法的源代码。在这里：https:/ / github. com/scipy/scipy/blob/master/scipy/optimize/optimize.py聪明的你肯定发现了，顺着这个链接往上一级、再往上一级，你会找到scipy的几乎所有源码！
设二元函数f(x，y),对于每一个点P（x，y）都可定出一个向量fx(x，y)i+fy(x，y)j，该函数就称为函数f(x，y)在点P的梯度。函数梯度本意是指一个向量（矢量），表示某一函数在该点处的方向导数沿着该方向取得最大值，即函数在该点处沿着该方向（此梯度的方向）变化最快，变化率最大（为该梯度的模）。
