feat: 后向自动微分
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include/backwardad.hpp
Normal file
56
include/backwardad.hpp
Normal file
@@ -0,0 +1,56 @@
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#pragma once
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#include <vector>
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#include <cmath>
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#include "dual.hpp"
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namespace backwardad {
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inline void topo_sort(const Node& n, std::vector<Node>& order, std::vector<Node>& vis) {
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auto same = [&](const Node& x) { return x.ptr.get() == n.ptr.get(); };
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if (std::find_if(vis.begin(), vis.end(), same) != vis.end()) return;
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vis.push_back(n);
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for (const auto& in : n.inputs()) topo_sort(in, order, vis);
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order.push_back(n);
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}
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inline void backward(const Node& output) {
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// 第一步:拓扑排序(保证从后往前算)
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std::vector<Node> order;
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std::vector<Node> visited;
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topo_sort(output, order, visited);
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// 第二步:初始化输出梯度 = 1
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output.set_gradient(1.0);
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std::reverse(order.begin(), order.end());
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// 第三步:反向遍历,逐个调用节点的局部导数
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for (const auto& v : order) {
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if (v.backward()) v.backward()();
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}
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}
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template <typename Func, typename... Args>
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ADResult diff(const Func f, Args... args) {
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ADResult res;
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// 1. 创建输入节点
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std::vector<Node> inputs;
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inputs.reserve(sizeof...(Args));
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(inputs.emplace_back((double)args), ...);
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// 2. 前向计算
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Node output = [&]<size_t... Is>(std::index_sequence<Is...>) {
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return f(inputs[Is]...);
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}(std::make_index_sequence<sizeof...(Args)>{});
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// 3. 反向传播
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backward(output);
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// 4. 提取结果
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res.value = output.value();
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for (auto& in : inputs)
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res.gradient.push_back(in.gradient());
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return res;
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}
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} // namespace backwardad
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122
include/dual.hpp
122
include/dual.hpp
@@ -3,6 +3,7 @@
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#include <iostream>
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#include <iostream>
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||||||
#include <vector>
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#include <vector>
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#include <cmath>
|
#include <cmath>
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#include "types/common.hpp"
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#include "types/dual.hpp"
|
#include "types/dual.hpp"
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||||||
// 前向自动微分的运算部分,两个deriv相乘为0
|
// 前向自动微分的运算部分,两个deriv相乘为0
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@@ -62,4 +63,123 @@ namespace forwardad{
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|||||||
inline Dual atan(const Dual& x) {
|
inline Dual atan(const Dual& x) {
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||||||
return Dual(std::atan(x.value), x.deriv / (1 + x.value * x.value));
|
return Dual(std::atan(x.value), x.deriv / (1 + x.value * x.value));
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}
|
}
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}// namespace forwardad
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}// namespace forwardad
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namespace backwardad {
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inline Node operator+(const Node& a, const Node& b) {
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Node out(a.value() + b.value());
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out.inputs() = {a, b};
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||||||
|
out.backward() = [out, a, b]() {
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||||||
|
a.add_gradient(out.gradient()); // da = dout * 1
|
||||||
|
b.add_gradient(out.gradient()); // db = dout * 1
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|
};
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return out;
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|
}
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inline Node operator-(const Node& a, const Node& b) {
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|
Node out(a.value() - b.value());
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out.inputs() = {a, b};
|
||||||
|
out.backward() = [out, a, b]() {
|
||||||
|
a.add_gradient(out.gradient()); // da = dout * 1
|
||||||
|
b.add_gradient(-out.gradient()); // db = dout * (-1)
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|
};
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||||||
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return out;
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|
}
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inline Node operator*(const Node& a, const Node& b) {
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|
Node out(a.value() * b.value());
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||||||
|
out.inputs() = {a, b};
|
||||||
|
out.backward() = [out, a, b]() {
|
||||||
|
a.add_gradient(out.gradient() * b.value()); // da = dout * b
|
||||||
|
b.add_gradient(out.gradient() * a.value()); // db = dout * a
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||||||
|
};
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||||||
|
return out;
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|
}
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|
inline Node operator/(const Node& a, const Node& b) {
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|
Node out(a.value() / b.value());
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|
out.inputs() = {a, b};
|
||||||
|
out.backward() = [out, a, b]() {
|
||||||
|
a.add_gradient(out.gradient() / b.value()); // da = dout * (1/b)
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|
b.add_gradient(-out.gradient() * a.value() / (b.value() * b.value())); // db = dout * (-a/b^2)
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|
};
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return out;
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}
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// 下面的函数需要用到链式法则(使用泰勒展开后保留一次项)
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// 三角函数
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inline Node sin(const Node& x) {
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Node out(std::sin(x.value()));
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out.inputs() = {x};
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|
out.backward() = [out, x]() {
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|
x.add_gradient(out.gradient() * std::cos(x.value())); // dx = dout * cos(x)
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|
};
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return out;
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}
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inline Node cos(const Node& x) {
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|
Node out(std::cos(x.value()));
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|
out.inputs() = {x};
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||||||
|
out.backward() = [out, x]() {
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||||||
|
x.add_gradient(-out.gradient() * std::sin(x.value())); // dx = dout * (-sin(x))
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|
};
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return out;
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|
}
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// 指数和对数
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inline Node exp(const Node& x) {
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|
Node out(std::exp(x.value()));
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|
out.inputs() = {x};
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||||||
|
out.backward() = [out, x]() {
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||||||
|
x.add_gradient(out.gradient() * out.value()); // dx = dout * exp(x) = dout * out.value
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|
};
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return out;
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|
}
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|
inline Node log(const Node& x) {
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|
Node out(std::log(x.value()));
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|
out.inputs() = {x};
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||||||
|
out.backward() = [out, x]() {
|
||||||
|
x.add_gradient(out.gradient() / x.value()); // dx = dout * (1/x)
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|
};
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return out;
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|
}
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inline Node pow(const Node& x, double n) {
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Node out(std::pow(x.value(), n));
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|
out.inputs() = {x};
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||||||
|
out.backward() = [out, x, n]() {
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||||||
|
x.add_gradient(out.gradient() * n * std::pow(x.value(), n - 1)); // dx = dout * (n * x^(n-1))
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|
};
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return out;
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}
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// 反三角函数
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inline Node asin(const Node& x) {
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Node out(std::asin(x.value()));
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out.inputs() = {x};
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|
out.backward() = [out, x]() {
|
||||||
|
x.add_gradient(out.gradient() / std::sqrt(1 - x.value() * x.value())); // dx = dout * (1/sqrt(1-x^2))
|
||||||
|
};
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||||||
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return out;
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|
}
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inline Node acos(const Node& x) {
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|
Node out(std::acos(x.value()));
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|
out.inputs() = {x};
|
||||||
|
out.backward() = [out, x]() {
|
||||||
|
x.add_gradient(-out.gradient() / std::sqrt(1 - x.value() * x.value())); // dx = dout * (-1/sqrt(1-x^2))
|
||||||
|
};
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||||||
|
return out;
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|
}
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|
inline Node atan(const Node& x) {
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|
Node out(std::atan(x.value()));
|
||||||
|
out.inputs() = {x};
|
||||||
|
out.backward() = [out, x]() {
|
||||||
|
x.add_gradient(out.gradient() / (1 + x.value() * x.value())); // dx = dout * (1/(1+x^2))
|
||||||
|
};
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||||||
|
return out;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
}
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@@ -9,8 +9,8 @@
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|||||||
namespace forwardad{
|
namespace forwardad{
|
||||||
|
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||||||
template <typename Func, typename... Args>
|
template <typename Func, typename... Args>
|
||||||
Result diff(const Func& f, Args... args) {
|
ADResult diff(const Func& f, Args... args) {
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||||||
Result res;
|
ADResult res;
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||||||
constexpr size_t N = sizeof...(Args);
|
constexpr size_t N = sizeof...(Args);
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||||||
res.gradient.resize(N);
|
res.gradient.resize(N);
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||||||
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||||||
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|||||||
@@ -1,9 +1,9 @@
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|||||||
/*返回数据结构体*/
|
/*返回数据结构体*/
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||||||
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#pragma once
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||||||
|
#include <functional>
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||||||
#include <vector>
|
#include <vector>
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||||||
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||||||
namespace forwardad{
|
struct ADResult{
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||||||
struct Result{
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double value; // 函数值
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||||||
double value; // 函数值
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std::vector<double> gradient; // 梯度
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||||||
std::vector<double> gradient; // 梯度
|
};
|
||||||
};
|
|
||||||
}
|
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||||||
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|||||||
@@ -1,5 +1,9 @@
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|||||||
/*对偶数的数据类型定义部分*/
|
/*对偶数的数据类型定义部分*/
|
||||||
#pragma once
|
#pragma once
|
||||||
|
#include <iostream>
|
||||||
|
#include <functional>
|
||||||
|
#include <memory>
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||||||
|
#include <vector>
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||||||
|
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||||||
namespace forwardad {
|
namespace forwardad {
|
||||||
struct Dual {
|
struct Dual {
|
||||||
@@ -9,4 +13,43 @@ struct Dual {
|
|||||||
Dual(double v = 0.0, double d = 0.0) : value(v), deriv(d) {}
|
Dual(double v = 0.0, double d = 0.0) : value(v), deriv(d) {}
|
||||||
|
|
||||||
};
|
};
|
||||||
} // namespace forwardad
|
} // namespace forwardad
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||||||
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namespace backwardad{
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|
struct NodeData;
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struct Node{
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std::shared_ptr<NodeData> ptr;
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Node() = default;
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explicit Node(double v);
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double value() const;
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double gradient() const;
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|
void add_gradient(double g) const;
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|
void set_gradient(double g) const;
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|
const std::vector<Node>& inputs() const;
|
||||||
|
std::vector<Node>& inputs();
|
||||||
|
std::function<void()>& backward();
|
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|
const std::function<void()>& backward() const;
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|
};
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|
|
||||||
|
struct NodeData {
|
||||||
|
double value;
|
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|
double gradient;
|
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|
std::vector<Node> inputs;
|
||||||
|
std::function<void()> backward;
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||||||
|
explicit NodeData(double v) : value(v), gradient(0.0) {}
|
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|
};
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||||||
|
inline Node::Node(double v) : ptr(std::make_shared<NodeData>(v)) {}
|
||||||
|
inline double Node::value() const { return ptr->value; }
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||||||
|
inline double Node::gradient() const { return ptr->gradient; }
|
||||||
|
inline void Node::add_gradient(double g) const { ptr->gradient += g; }
|
||||||
|
inline void Node::set_gradient(double g) const { ptr->gradient = g; }
|
||||||
|
inline const std::vector<Node>& Node::inputs() const { return ptr->inputs; }
|
||||||
|
inline std::vector<Node>& Node::inputs() { return ptr->inputs; }
|
||||||
|
inline std::function<void()>& Node::backward() { return ptr->backward; }
|
||||||
|
inline const std::function<void()>& Node::backward() const { return ptr->backward; }
|
||||||
|
} // namespace backwardad
|
||||||
@@ -1,40 +1,75 @@
|
|||||||
#include <iostream>
|
#include <iostream>
|
||||||
#include "forwardad.hpp"
|
#include "forwardad.hpp"
|
||||||
|
#include "backwardad.hpp"
|
||||||
#include "types/dual.hpp"
|
#include "types/dual.hpp"
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||||||
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||||||
using namespace forwardad;
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||||||
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||||||
// 一阶测试函数
|
// 一阶测试函数
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Dual f(Dual x) {
|
forwardad::Dual f1(forwardad::Dual x) {
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return x + x*x + pow(x,3);
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return x + x*x + pow(x,3);
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||||||
}
|
}
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||||||
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||||||
// 二阶测试函数
|
// 二阶测试函数
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||||||
Dual g(Dual x, Dual y) {
|
forwardad::Dual g1(forwardad::Dual x, forwardad::Dual y) {
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||||||
return exp(x) * log(y);
|
return exp(x) * log(y);
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||||||
}
|
}
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||||||
|
|
||||||
// 高阶测试函数
|
// 高阶测试函数
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||||||
Dual h(Dual x, Dual y, Dual z) {
|
forwardad::Dual h1(forwardad::Dual x, forwardad::Dual y, forwardad::Dual z) {
|
||||||
return pow(x, 3) + pow(y, 2) + z + cos(x * y * z);
|
return pow(x, 3) + pow(y, 2) + z + cos(x * y * z);
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
int main() {
|
backwardad::Node f2(backwardad::Node x) {
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||||||
|
return x + x*x + pow(x,3);
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||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
backwardad::Node g2(backwardad::Node x, backwardad::Node y) {
|
||||||
|
return exp(x) * log(y);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
backwardad::Node h2(backwardad::Node x, backwardad::Node y, backwardad::Node z) {
|
||||||
|
return pow(x, 3) + pow(y, 2) + z + cos(x * y * z);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
int test_forward_ad() {
|
||||||
std::cout << "Testing f(x) = x^2 + sin(x) at x=2.0\n";
|
std::cout << "Testing f(x) = x^2 + sin(x) at x=2.0\n";
|
||||||
auto r = diff(f, 2.0);
|
auto r = forwardad::diff(f1, 2.0);
|
||||||
std::cout << "value = " << r.value << "\n";
|
std::cout << "value = " << r.value << "\n";
|
||||||
std::cout << "grad = " << r.gradient[0] << "\n";
|
std::cout << "grad = " << r.gradient[0] << "\n";
|
||||||
|
|
||||||
std::cout << "\nTesting g(x,y) = exp(x)*log(y) at (x,y)=(1.0, 2.0)\n";
|
std::cout << "\nTesting g(x,y) = exp(x)*log(y) at (x,y)=(1.0, 2.0)\n";
|
||||||
auto r2 = diff(g, 1.0, 2.0);
|
auto r2 = forwardad::diff(g1, 1.0, 2.0);
|
||||||
std::cout << "value = " << r2.value << "\n";
|
std::cout << "value = " << r2.value << "\n";
|
||||||
std::cout << "grad = (" << r2.gradient[0] << ", " << r2.gradient[1] << ")\n";
|
std::cout << "grad = (" << r2.gradient[0] << ", " << r2.gradient[1] << ")\n";
|
||||||
|
|
||||||
std::cout << "\nTesting h(x,y,z) = x^3 + y^2 + z + cos(x*y*z) at (x,y,z)=(1.0, 2.0, 3.0)\n";
|
std::cout << "\nTesting h(x,y,z) = x^3 + y^2 + z + cos(x*y*z) at (x,y,z)=(1.0, 2.0, 3.0)\n";
|
||||||
auto r3 = diff(h, 1.0, 2.0, 3.0);
|
auto r3 = forwardad::diff(h1, 1.0, 2.0, 3.0);
|
||||||
std::cout << "value = " << r3.value << "\n";
|
std::cout << "value = " << r3.value << "\n";
|
||||||
std::cout << "grad = (" << r3.gradient[0] << ", " << r3.gradient[1] << ", " << r3.gradient[2] << ")\n";
|
std::cout << "grad = (" << r3.gradient[0] << ", " << r3.gradient[1] << ", " << r3.gradient[2] << ")\n";
|
||||||
|
return 0;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
int test_backward_ad() {
|
||||||
|
std::cout << "Testing f(x) = x^2 + sin(x) at x=2.0\n";
|
||||||
|
auto r = backwardad::diff(f2, 2.0);
|
||||||
|
std::cout << "value = " << r.value << "\n";
|
||||||
|
std::cout << "grad = " << r.gradient[0] << "\n";
|
||||||
|
|
||||||
|
std::cout << "\nTesting g(x,y) = exp(x)*log(y) at (x,y)=(1.0, 2.0)\n";
|
||||||
|
auto r2 = backwardad::diff(g2, 1.0, 2.0);
|
||||||
|
std::cout << "value = " << r2.value << "\n";
|
||||||
|
std::cout << "grad = (" << r2.gradient[0] << ", " << r2.gradient[1] << ")\n";
|
||||||
|
|
||||||
|
std::cout << "\nTesting h(x,y,z) = x^3 + y^2 + z + cos(x*y*z) at (x,y,z)=(1.0, 2.0, 3.0)\n";
|
||||||
|
auto r3 = backwardad::diff(h2, 1.0, 2.0, 3.0);
|
||||||
|
std::cout << "value = " << r3.value << "\n";
|
||||||
|
std::cout << "grad = (" << r3.gradient[0] << ", " << r3.gradient[1] << ", " << r3.gradient[2] << ")\n";
|
||||||
|
return 0;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
int main() {
|
||||||
|
std::cout << "=== Forward AD Tests ===\n";
|
||||||
|
test_forward_ad();
|
||||||
|
std::cout << "\n=== Backward AD Tests ===\n";
|
||||||
|
test_backward_ad();
|
||||||
return 0;
|
return 0;
|
||||||
}
|
}
|
||||||
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