PyTorch 实战：从拟合直线到识别手写数字

搭建环境

开头总是装库。PyTorch 用 pip 装就行，顺便带上 numpy 和 matplotlib：

pip install torch torchvision
pip install numpy matplotlib

线性回归：最简模型

第一个程序用线性回归，拟合带噪声的直线。生成数据、定义模型、训练、画图，一条龙。代码直给：

import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 生成训练数据
x = torch.linspace(0, 10, 100).unsqueeze(1)
y = 2 * x + 1 + torch.randn(100, 1) * 0.5

# 定义模型
class LinearModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LinearModel, self).__init__()
        self.linear = nn.Linear(1, 1)

    def forward(self, x):
        return self.linear(x)

# 创建模型实例
model = LinearModel()

# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

# 训练模型
epochs = 100
for epoch in range(epochs):
    # 前向传播
    outputs = model(x)
    # 计算损失
    loss = criterion(outputs, y)
    # 反向传播
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    # 更新参数
    optimizer.step()
    if (epoch + 1) % 10 == 0:
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')

# 测试模型
with torch.no_grad():
    predicted = model(x)

# 可视化结果
plt.scatter(x.numpy(), y.numpy(), label='Original data')
plt.plot(x.numpy(), predicted.numpy(), 'r-', label='Fitted line')
plt.legend()
plt.show()
print("Hello World! AI 模型训练完成")

Loss 下降到 0.1 左右就能看出红线基本穿过散点。没什么难点，SGD 调调学习率就行。

拐点：加上非线性

线性回归只能画直线，遇到抛物线立刻抓瞎。这时候就得靠神经网络引入非线性了。这段代码在之前基础上加了一个隐藏层，用 ReLU 激活，拟合 y = x² 加噪声的数据：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# 生成非线性数据
x = torch.linspace(-1, 1, 100).unsqueeze(1)
y = x.pow(2) + 0.2 * torch.randn(100, 1)

# 定义神经网络模型
class NeuralNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(NeuralNet, self).__init__()
        self.hidden = nn.Linear(1, 10)
        self.output = nn.Linear(10, 1)

    def forward(self, x):
        x = torch.relu(self.hidden(x))
        x = self.output(x)
        return x

# 创建模型实例
model = NeuralNet()

# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

# 训练模型
epochs = 1000
for epoch in range(epochs):
    outputs = model(x)
    loss = criterion(outputs, y)
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()
    if (epoch + 1) % 100 == 0:
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')

# 测试模型
with torch.no_grad():
    predicted = model(x)

# 可视化结果
import matplotlib.pyplot as plt
plt.scatter(x.numpy(), y.numpy(), label='Original data')
plt.plot(x.numpy(), predicted.numpy(), 'r-', label='Neural network prediction')
plt.legend()
plt.show()

训练 1000 轮，损失降到 0.1 左右，曲线基本贴合抛物线。这里用 SGD 依然可行，但如果收敛慢，试试 Adam 会快很多——实际用的时候我一般直接上 Adam。

网络结构其实很简单：输入 -> 隐藏层(10 个神经元，ReLU) -> 输出。核心就两点：层间线性变换加激活函数，以及反向传播自动算梯度。不用自己推导链式法则，PyTorch 全包了。

手写数字识别：CNN 初接触

MNIST 是图像分类的 Hello World。数据加载用 torchvision 一行搞定，预处理做 ToTensor 和归一化：

import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

# 数据预处理
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))
])

# 加载 MNIST 数据集
trainset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=64, shuffle=True)
testset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=64, shuffle=False)

# 查看数据
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 函数：显示图像
def imshow(img):
    img = img / 2 + 0.5  # 反归一化
    npimg = img.numpy()
    plt.imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0)))
    plt.show()

# 获取一批训练数据
dataiter = iter(trainloader)
images, labels = next(dataiter)

# 显示图像
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
print('标签:', ' '.join(f'{labels[j]}' for j in range(4)))

模型是一个两层卷积加两层全连接的简单 CNN：

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        # 卷积层
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, 3, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, 3, 1)
        # 池化层
        self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)
        # 全连接层
        self.fc1 = nn.Linear(64 * 12 * 12, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
        x = x.view(-1, 64 * 12 * 12)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
        return x

# 创建模型实例
net = Net()
print(net)

print(net) 能看到每一层的形状和参数数量。接下来训练 5 个 epoch，打印每个批次损失：

import torch.optim as optim

# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# 训练模型
epochs = 5
for epoch in range(epochs):
    running_loss = 0.0
    for i, data in enumerate(trainloader, 0):
        # 获取输入
        inputs, labels = data
        # 清零梯度
        optimizer.zero_grad()
        # 前向传播
        outputs = net(inputs)
        # 计算损失
        loss = criterion(outputs, labels)
        # 反向传播
        loss.backward()
        # 更新参数
        optimizer.step()
        # 统计损失
        running_loss += loss.item()
        if i % 100 == 99:
            print(f'[{epoch + 1}, {i + 1}] loss: {running_loss / 100:.3f}')
    running_loss = 0.0
print('训练完成')

训练后测试：

# 测试模型
correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():
    for data in testloader:
        images, labels = data
        outputs = net(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()
print(f'测试准确率：{100 * correct / total:.2f}%')

# 查看预测结果
dataiter = iter(testloader)
images, labels = next(dataiter)

# 显示图像
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
print('真实标签:', ' '.join(f'{labels[j]}' for j in range(4)))

# 预测
outputs = net(images)
_, predicted = torch.max(outputs, 1)
print('预测标签:', ' '.join(f'{predicted[j]}' for j in range(4)))

准确率在 97% 左右，再跑几轮能到 99%。这个模型很小，参数量不到 1M，拿 CPU 跑也很快。

站在 Rust 的角度看 Python AI

写 Rust 的人初看 Python AI 栈，有几个明显感受：

• 开发节奏：Python 写起来确实快，不用跟生命周期和所有权较劲。不过 PyTorch 的底层是 C++/CUDA，性能瓶颈不在这里。
• 生态碾压：torchvision、transformers、diffusers……现成轮子太多，想做个东西几乎不用从零造轮子。Rust 的 ML 生态还在早期，tch-rs 之类的绑定能用，但顺滑程度差远了。
• 动态类型的两面：一方面写起来随性，不用定义一大堆 struct；另一方面，没类型检查，复杂项目容易出一眼看不出的 bug。我会尽量加类型标注，比如 def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:，再配合 mypy 做静态检查，算是折中。
• 内存与部署：Python 的内存管理是自动的，模型训练完保存 state_dict，线上推理可以用 TorchScript 或 ONNX 导出，再用 Rust 的 tract 或 sonos 跑，速度不错，内存也可控。这个组合挺实用。

如果从 Rust 转过来学 Python AI，个人觉得几点比较有用：

• 系统编程的经验对理解张量布局、设备（CPU/GPU）管理、数据加载的流水线很有帮助，不是黑盒瞎调。
• 保持写 Rust 时养成的模块化习惯，把数据加载、模型定义、训练循环拆开，比全塞在一个 Jupyter 单元格里强。
• 尽早接触实战项目，最好结合自己领域的数据，比看十遍教程管用。
• Python 和 Rust 不是非此即彼：用 Python 做实验和原型，用 Rust 做高性能推理或后处理，各取所长。

结尾

从线性回归到 CNN，算是在 Python AI 的世界里走了一圈。最大的感触是：语言只是工具，生态和库才是真正决定开发效率的东西。Rust 的确定性让人安心，Python 的灵活省时间，两者结合反而更顺手。

代码都在这，拿过去跑一跑，改一改网络结构或超参数，比看再多理论都实际。