Training loss and test loss don’t descend while using the self-built Lenet5 to train MNIST

My training loss and testing loss do not descend. Moreover, my Acc is very low, just the same as the random classification.
enter image description here
enter image description here
Below is part of my code.

datasets.py
import cupy as np
import struct
import glob


def load_mnist(path, kind='train'):
    image_path = glob.glob(path + '/%s*3-ubyte' % kind)[0]
    label_path = glob.glob(path + '/%s*1-ubyte' % kind)[0]
    with open(label_path, "rb") as lbpath:
        magic, n = struct.unpack('>II', lbpath.read(8))
        labels = np.fromfile(lbpath, dtype=np.uint8)
    with open(image_path, "rb") as impath:
        magic, num, rows, cols = struct.unpack('>IIII', impath.read(16))
        images = np.fromfile(impath, dtype=np.uint8).reshape(len(labels), 28 * 28)
    return images, labels

module.py
import cupy as np


class Conv2d:
    def __init__(self, in_channels: int, out_channels: int, kernel_size: int, 
                 stride: int = 1, padding: int = 0, dtype=None):
        self.in_channels = in_channels
        self.out_channels = out_channels
        self.kernel_size = kernel_size
        self.stride = stride
        self.padding = padding
        self.dtype = dtype if dtype is not None else np.float16
        
        # Initialize weights and bias
        self.weight = np.random.randn(out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size).astype(dtype)
        self.bias = np.random.randn(out_channels).astype(dtype)
        # Initialize gradients
        self.w_grad = np.zeros_like(self.weight)
        self.b_grad = np.zeros_like(self.bias)
        self.cache = None

    def forward(self, x):
        """
        x - shape (N, C, H, W)
        return the result of Conv2d with shape (N, O, H', W')
        """
        n, c, h, w = x.shape
        # Calculate output dimensions
        h_out = (h - self.kernel_size + 2 * self.padding) // self.stride + 1
        w_out = (w - self.kernel_size + 2 * self.padding) // self.stride + 1
        # Apply padding to the input
        if self.padding > 0:
            x_padded = np.pad(x, ((0, 0), (0, 0), (self.padding, self.padding), (self.padding, self.padding)),
                              mode='constant')
        else:
            x_padded = x
        # Initialize output
        out = np.zeros((n, self.out_channels, h_out, w_out), dtype=self.dtype)
        # Perform the convolution
        batch_stride, c_stride, h_stride, w_stride = x_padded.strides
        strided_windows = np.lib.stride_tricks.as_strided(
            x_padded,
            shape = (n, c, h_out, w_out, self.kernel_size, self.kernel_size),
            strides = (batch_stride, c_stride, h_stride * self.stride, w_stride * self.stride, h_stride, w_stride)
        )
        out = np.einsum('bihwkl,oikl->bohw', strided_windows, self.weight)
        out += self.bias[None, :, None, None]
        self.cache = x, strided_windows
        return out

    def backward(self, dy, lr):
        """
        dy - the gradient of last layer with shape (N, O, H', W')
        lr - learning rate
        calculate self.w_grad to update self.weight,
        calculate self.b_grad to update self.bias,
        return the result of gradient dx with shape (N, C, H, W)
        """
        x, strided_windows = self.cache
        _, _, h_out, w_out = x.shape
        b_out, c_out, _, _ = dy.shape
        dy_changed = dy.copy()
        if self.stride > 1:
            dy_changed = np.insert(dy_changed, range(1, dy.shape[2]), 0, axis=2)
            dy_changed = np.insert(dy_changed, range(1, dy.shape[3]), 0, axis=3)

        if self.padding > 0:
            dy_changed = np.pad(dy_changed, ((0,0), (0,0), (self.padding, self.padding), (self.padding, self.padding)), 
                                'constant')
        batch_stride, channel_stride, h_stride, w_stride = dy_changed.strides
        # Initialize gradients
        self.w_grad.fill(0)
        self.b_grad.fill(0)
        # Compute gradients
        dout_windows = np.lib.stride_tricks.as_strided(dy_changed, 
            shape = (b_out, c_out, h_out, w_out, self.kernel_size, self.kernel_size),
            strides = (batch_stride, channel_stride, h_stride * 1, w_stride * 1, h_stride, w_stride)
        )
        rotate_weights = np.rot90(self.weight, 2, (2, 3))
        self.b_grad = np.sum(dy, axis=(0, 2, 3))
        self.w_grad = np.einsum('bihwkl, bohw -> oikl', strided_windows, dy)
        dx = np.einsum('bohwkl, oikl -> bihw', dout_windows, rotate_weights)
        # Update weights and biases
        self.weight -= lr * self.w_grad
        self.bias -= lr * self.b_grad
        return dx


class MaxPool2d:
    def __init__(self, kernel_size: int, stride=None, padding=0):
        self.kernel_size = kernel_size
        self.stride = stride if stride is not None else kernel_size
        self.padding = padding
        self.out = None

    def forward(self, x):
        """
        x - shape (N, C, H, W)
        return the result of MaxPool2d with shape (N, C, H', W')
        """
        n, c, h, w = x.shape
        kh, kw = self.kernel_size, self.kernel_size
        sh, sw = self.stride, self.stride
        ph, pw = self.padding, self.padding

        h_out = (h + 2 * ph - kh) // sh + 1
        w_out = (w + 2 * pw - kw) // sw + 1

        x_padded = np.pad(x, ((0, 0), (0, 0), (ph, ph), (pw, pw)), mode='constant')

        x_reshaped = x_padded.reshape(n, c, h_out, sh, w_out, sw)
        out = np.max(x_reshaped, axis=(3, 5))
        self.out = (x, x_padded)
        return out

    def backward(self, dy):
        """
        dy - shape (N, C, H', W')
        return the result of gradient dx with shape (N, C, H, W)
        """
        x, x_padded = self.out
        kh, kw = self.kernel_size, self.kernel_size
        sh, sw = self.stride, self.stride
        ph, pw = self.padding, self.padding
        h_out, w_out = dy.shape[2], dy.shape[3]

        dx_padded = np.zeros_like(x_padded)
        dx_reshaped = dx_padded.reshape(x.shape[0], x.shape[1], h_out, sh, w_out, sw)
        dy_reshaped = dy.reshape(x.shape[0], x.shape[1], h_out, 1, w_out, 1)
        dx_reshaped += np.maximum_gradient(x_padded, dx_reshaped, axis=(3, 5))

        if ph == 0 and pw == 0:
            return dx_padded
        return dx_padded[:, :, ph:-ph, pw:-pw] if ph > 0 and pw > 0 else dx_padded

     
class AvgPool2d:
    def __init__(self, kernel_size: int, stride=None, padding=0):
        self.kernel_size = kernel_size
        self.stride = stride if stride is not None else kernel_size
        self.padding = padding
        self.out = None

    def forward(self, x):
        """
        x - shape (N, C, H, W)
        return the result of AvgPool2d with shape (N, C, H', W')
        """
        n, c, h, w = x.shape
        kh, kw = self.kernel_size, self.kernel_size
        sh, sw = self.stride, self.stride
        ph, pw = self.padding, self.padding

        h_out = (h + 2 * ph - kh) // sh + 1
        w_out = (w + 2 * pw - kw) // sw + 1
 
        x_padded = np.pad(x, ((0, 0), (0, 0), (ph, ph), (pw, pw)), mode='constant')
 
        x_reshaped = x_padded.reshape(n, c, h_out, sh, w_out, sw)
        out = x_reshaped.mean(axis=(3, 5))
        self.out = (x, x_padded)
        return out

    def backward(self, dy):
        """
        dy - shape (N, C, H', W')
        return the result of gradient dx with shape (N, C, H, W)
        """
        x, x_padded = self.out
        kh, kw = self.kernel_size, self.kernel_size
        sh, sw = self.stride, self.stride
        ph, pw = self.padding, self.padding
        h_out, w_out = dy.shape[2], dy.shape[3]
 
        dx_padded = np.zeros_like(x_padded)
        dx_reshaped = dx_padded.reshape(x.shape[0], x.shape[1], h_out, sh, w_out, sw)
        dy_reshaped = dy.reshape(x.shape[0], x.shape[1], h_out, 1, w_out, 1)
        dx_reshaped += dy_reshaped / (kh * kw)

        if ph == 0 and pw == 0:
            return dx_padded
        return dx_padded[:, :, ph:-ph, pw:-pw] if ph > 0 and pw > 0 else dx_padded
    

class Linear:
    def __init__(self, in_features: int, out_features: int, bias: bool = True):
        self.in_features = in_features
        self.out_features = out_features
        self.bias = bias
        self.input = None
        self.W = np.random.randn(in_features, out_features)
     
        if self.bias:
            self.b = np.random.randn(1, out_features)
        else:
            self.b = None

    def forward(self, x):
        """
        x - shape (N, C)
        return the result of Linear layer with shape (N, O)
        """
        self.input = x
        output = np.dot(self.input, self.W)
        if self.bias:
            output += self.b
        return output

    def backward(self, dy, lr):
        """
        dy - shape (N, O)
        return the result of gradient dx with shape (N, C)
        """
        dx = np.dot(dy, self.W.T)
        dw = np.dot(self.input.T, dy)
        self.W -= lr * dw
        if self.bias:
            self.b -= lr * np.sum(dy, axis=0, keepdims=True)
        return dx

network.py
from module import Conv2d, AvgPool2d, Linear
from tools import Sigmoid


class LeNet5:
    def __init__(self):
        self.conv1 = Conv2d(1, 6, 5, 1, 2)
        self.relu1 = Sigmoid()
        self.pool1 = AvgPool2d(2)
        self.conv2 = Conv2d(6, 16, 5)
        self.relu2 = Sigmoid()
        self.pool2 = AvgPool2d(2)
        self.fc1 = Linear(16 * 5 * 5, 120)
        self.relu3 = Sigmoid()
        self.fc2 = Linear(120, 84)
        self.relu4 = Sigmoid()
        self.fc3 = Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1.forward(x)
        x = self.relu1.forward(x)
        x = self.pool1.forward(x)
        x = self.conv2.forward(x)
        x = self.relu2.forward(x)
        x = self.pool2.forward(x)
        x = x.reshape(-1, 400)
        x = self.fc1.forward(x)
        x = self.relu3.forward(x)
        x = self.fc2.forward(x)
        x = self.relu4.forward(x)
        x = self.fc3.forward(x)
        return x

    def backward(self, dy, lr):
        dy = self.fc3.backward(dy, lr)
        dy = self.relu4.backward(dy)
        dy = self.fc2.backward(dy, lr)
        dy = self.relu3.backward(dy)
        dy = self.fc1.backward(dy, lr)
        dy = dy.reshape(-1, 16, 5, 5)
        dy = self.pool2.backward(dy)
        dy = self.relu2.backward(dy)
        dy = self.conv2.backward(dy, lr)
        dy = self.pool1.backward(dy)
        dy = self.relu1.backward(dy)
        dy = self.conv1.backward(dy, lr)
        return dy
tools.py
import cupy as np


class Relu:
    def __init__(self):
        self.mask = None
        self.input = None

    def forward(self, x):
        self.input = x
        self.mask = (self.input <= 0)
        out = self.input.copy()
        out[self.mask] = 0
        return out

    def backward(self, d_out):
        d_out[self.mask] = 0
        dx = d_out
        return dx


class Tanh:
    def __init__(self):
        self.input = None

    def forward(self, x):
        self.input = x
        return np.tanh(self.input)

    def backward(self, dy):
        s = self.forward(self.input)
        return dy * (1 - s ** 2)


class Sigmoid:
    def __init__(self):
        self.input = None

    def forward(self, x):
        self.input = x
        return 1.0 / (1 + np.exp(-self.input))

    def backward(self, dy):
        s = self.forward(self.input)
        return dy * s * (1 - s)


class CrossEntropyLoss:
    def __call__(self, x, label):
        x = np.array(x)
        num_samples = x.shape[0]
        # Clip the values to prevent division by zero
        x = np.clip(x, 1e-12, 1. - 1e-12)
        one_hot_labels = np.zeros_like(x)
        one_hot_labels[np.arange(num_samples), label] = 1
        loss = -np.sum(one_hot_labels * np.log(x)) / num_samples
        return loss
train.py
import cupy as np
import tqdm
import logging
import pickle
from network import LeNet5
from datasets import load_mnist
from config import Config
from tools import CrossEntropyLoss

def create_batches(data, labels, batch_size):
    """
    Creates batches of data and labels.
    """
    for num in range(0, len(data), batch_size):
        yield data[num:num + batch_size], labels[num:num + batch_size]

if __name__ == '__main__':
    # Initialize logging
    logging.basicConfig(filename='training3.log', level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(message)s')

    opt = Config()
    path = "./MNIST/MNIST-Dataset"
    train_images, train_labels = load_mnist(path + "/Train", kind="train")
    test_images, test_labels = load_mnist(path + "/Test", kind="t10k")
    train_images = train_images.astype(np.float16) / 256
    test_images = test_images.astype(np.float16) / 256

    model = LeNet5()
    lr = opt.lr
    epochs = opt.epoch
    batch_size = opt.batch
    criterion = CrossEntropyLoss()
    logging.info(f"Parameters: lr={lr}, epochs={epochs}")
    for epoch in range(epochs):
        total_loss = 0
        batches = create_batches(train_images, train_labels, batch_size)
        for x_batch, y_batch in tqdm.tqdm(batches):
            batch_loss = 0
            dy_batch = []

            for x, y in zip(x_batch, y_batch):
                x = x.reshape(1, 1, 28, 28)
                output = model.forward(x)
                loss = criterion(output, y)
                batch_loss += loss
                dy = np.zeros_like(output)
                dy[0, y] = -1 / output[0, y]
                dy_batch.append(dy)
            total_loss += batch_loss

            for x, dy in zip(x_batch, dy_batch):
                x = x.reshape(1, 1, 28, 28)
                model.backward(dy, lr)
        avg_loss = total_loss / len(train_images)
        test_loss = 0
        test_batches = create_batches(test_images, test_labels, batch_size)
        for x_batch, y_batch in test_batches:
            batch_loss = 0
            for x, y in zip(x_batch, y_batch):
                x = x.reshape(1, 1, 28, 28)
                output = model.forward(x)  # No dropout during evaluation
                loss = criterion(output, y)
                batch_loss += loss
            test_loss += batch_loss
        avg_test_loss = test_loss / len(test_images)
        logging.info(f"Epoch [{epoch + 1}/{epochs}], Average Loss: {avg_loss}, Testing Loss: {avg_test_loss}")

    with open('lenet5_model3.pkl', 'wb') as f:
        pickle.dump(model, f)
    logging.info("Model saved as lenet5_model3.pkl")
test.py
import cupy as np
import tqdm
import logging
import pickle
from network import LeNet5
from datasets import load_mnist
from config import Config
from tools import CrossEntropyLoss

opt = Config()
path = "./MNIST/MNIST-Dataset"
train_images, train_labels = load_mnist(path + "/Train", kind="train")
test_images, test_labels = load_mnist(path + "/Test", kind="t10k")
train_images = train_images.astype(np.float16) / 256
test_images = test_images.astype(np.float16) / 256
model = LeNet5()
lr = opt.lr
epochs = opt.epoch
criterion = CrossEntropyLoss()
logging.basicConfig(filename='testing3.log', level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(message)s')

correct = 0
with open('lenet5_model3.pkl', 'rb') as f:
    model = pickle.load(f)
logging.info("Model loaded from lenet5_model3.pkl")
for i in tqdm.tqdm(range(len(test_images))):
    x = test_images[i]
    x = x.reshape(1, 1, 28, 28)
    y = test_labels[i]
    output = model.forward(x)
    prediction = np.argmax(output)
    if prediction == y:
        correct += 1
accuracy = correct / len(test_images)
logging.info(f"Test Accuracy: {accuracy}")
logging.info("*---------------------------------------------*")
logging.info(f"Test Accuracy: {accuracy}")

I think the possible problem is overfitting caused by incorrect parameter settings, or there is a loophole in the network layer propagation in module.py. However, I’ve tried to change the learning rate(0.05, 0.001, 0.0001) and the batch size(30, 60), but no improvement.

New contributor

chusong is a new contributor to this site. Take care in asking for clarification, commenting, and answering.
Check out our Code of Conduct.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật