Model 확장과 가중치값 변경을 통한 예측 정확도 향상

이전에 작성한 “PyTorch를 이용한 간단한 머신러닝”이라는 아래의 글에서는 은닉층이 없는 입력과 출력층으로만 구성된 모델을 사용했습니다. 그리고 가중치 및 편향값의 최적화를 위한 방법은 SGD, 즉 확률적 경사하강을 사용했습니다. 정확도는 대략 90%정도 나왔었습니다.

PyTorch를 이용한 간단한 머신러닝

이에 대해 은닉층을 2개 추가하고 매개변수의 최적화를 위한 방식을 SGD가 아닌 Adam을 사용하여 정확도를 향상시켜 보겠습니다. 은닉층이 추가 되었으므로 활성화 함수가 필요한데, 역전파에서 미분값 소실(Vanishing Gradient)이 발생할 가능성이 큰 시그모이드 함수가 아닌 ReLU 함수를 사용합니다. 즉, 모델은 다음과 같습니다.

위 모델을 구성하기 위한 PyTorch의 코드는 다음과 같습니다.

linear1 = torch.nn.Linear(784, 256, bias=True).to(device)
linear2 = torch.nn.Linear(256, 256, bias=True).to(device)
linear3 = torch.nn.Linear(256, 10, bias=True).to(device)
relu = torch.nn.ReLU()
model = torch.nn.Sequential(linear1, relu, linear2, relu, linear3).to(device)

그리고 매개변수에 대한 최적화 방법을 Adam을 사용하므로 이에 대한 코드는 아래와 같구요. 각 최적화 방식이 어떤식으로 작동하는지 시각적으로 확인할 수 있는 유용한 사이트인 http://www.denizyuret.com/2015/03/alec-radfords-animations-for.html을 참고하시기 바랍니다.

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

기존의 소스코드에서 위의 변경된 부분이 반영된 전체 코드는 아래와 같습니다.

import torch
import torchvision

batch_size = 1000

mnist_train = torchvision.datasets.MNIST(root="MNIST_data/", train=True, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)
mnist_test = torchvision.datasets.MNIST(root="MNIST_data/", train=False, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)
data_loader = torch.utils.data.DataLoader(mnist_train, batch_size=batch_size, shuffle=True, drop_last=True)

device = torch.device("cuda:0")

linear1 = torch.nn.Linear(784, 256, bias=True).to(device)
linear2 = torch.nn.Linear(256, 256, bias=True).to(device)
linear3 = torch.nn.Linear(256, 10, bias=True).to(device)
relu = torch.nn.ReLU()
model = torch.nn.Sequential(linear1, relu, linear2, relu, linear3).to(device)

loss = torch.nn.CrossEntropyLoss().to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

total_batch = len(data_loader)
training_epochs = 15

for epoch in range(training_epochs):
    total_cost = 0

    for X, Y in data_loader:
        X = X.view(-1, 28 * 28).to(device)
        Y = Y.to(device)
        
        hypothesis = model(X)
        cost = loss(hypothesis, Y)

        optimizer.zero_grad()
        cost.backward()
        optimizer.step()

        total_cost += cost 

    avg_cost = total_cost / total_batch
    print("Epoch:", "%03d" % (epoch+1), "cost =", "{:.9f}".format(avg_cost))

with torch.no_grad():
    X_test = mnist_test.data.view(-1, 28 * 28).float().to(device)
    Y_test = mnist_test.targets.to(device)
    prediction = model(X_test)
    correct_prediction = torch.argmax(prediction, 1) == Y_test
    accuracy = correct_prediction.float().mean()
    print("Accuracy: ", accuracy.item())

최적화 기법마다 학습률의 값은 다릅니다. 물론 에폭에 대한 반복수도 달라질 수 있습니다. 이러한 모델의 구성과 하이퍼 파라메터인 학습률과 반복 에폭수 등은 AI 전문가가 상황에 따라 결정해야 합니다. 결과적으로 위와 같은 모델의 확장과 최적화 방법의 변경 등을 통한 정확도는 약 97%로 출력되는데, 기존의 90%에서 대폭 향상된 것을 알 수 있습니다.

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