深度学习作业九 RNN-SRN-Seq2Seq
目录
1. 实现SRN
(1)使用Numpy
(2)在1的基础上,增加激活函数tanh
(3)使用nn.RNNCell实现
(4)使用nn.RNN实现
2. 实现“序列到序列”
3. “编码器-解码器”的简单实现
4.谈一谈对“序列”、“序列到序列”的理解
4.1序列
4.2序列到序列
5.总结本周理论课和作业,写心得体会
1. 实现SRN
(1)使用Numpy
代码如下:
import numpy as np
inputs = np.array([[1., 1.],
[1., 1.],
[2., 2.]]) # 初始化输入序列
print('inputs is ', inputs)
state_t = np.zeros(2, ) # 初始化存储器
print('state_t is ', state_t)
w1, w2, w3, w4, w5, w6, w7, w8 = 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1.
U1, U2, U3, U4 = 1., 1., 1., 1.
for input_t in inputs:
print('inputs is ', input_t)
print('state_t is ', state_t)
in_h1 = np.dot([w1, w3], input_t) + np.dot([U2, U4], state_t)
in_h2 = np.dot([w2, w4], input_t) + np.dot([U1, U3], state_t)
state_t = in_h1, in_h2
output_y1 = np.dot([w5, w7], [in_h1, in_h2])
output_y2 = np.dot([w6, w8], [in_h1, in_h2])
print('output_y is ', output_y1, output_y2)
print('---------------------')
运行结果:
如何算的呢?
如图,第一次输入x1,x2,均为1,此时a1,a2值为0,权重均为1,所以h1=w1*x1+w3*x2=2,h2=w2*x1+w4*x2=2,同时将h1,h2存入a1,a2中,a1=2,a2=2,之后y1=w5*h1+w7*h2=4,y2=w6*h1+w8*h2=4.
第二次输入x1,x2均为1,此时a1=2,a2=2,所以h1=w1*x1+w3*x2+u2*a1+u4*a2=6,h2=w2*x1+w4*x2+u1*a1+u3*a2=6,同时将h1,h2存入a1,a2中,a1=6,a2=6,之后y1=w5*h1+w7*h2=12,y2=w6*h1+w8*h2=12.
第三次输入x1,x2均为2,此时a1=6,a2=6,所以h1=w1*x1+w3*x2+u2*a1+u4*a2=16,h2=w2*x1+w4*x2+u1*a1+u3*a2=16,同时将h1,h2存入a1,a2中,a1=16,a2=16,之后y1=w5*h1+w7*h2=32,y2=w6*h1+w8*h2=32.
(2)在1的基础上,增加激活函数tanh
注:只在输入层到隐藏层使用了激活函数tanh,隐藏层到输出层激活函数依旧为linear
代码如下:
for input_t in inputs:
print('inputs is ', input_t)
print('state_t is ', state_t)
in_h1 = np.tanh(np.dot([w1, w3], input_t) + np.dot([U2, U4], state_t))
in_h2 = np.tanh(np.dot([w2, w4], input_t) + np.dot([U1, U3], state_t))
state_t = in_h1, in_h2
output_y1 = np.dot([w5, w7], [in_h1, in_h2])
output_y2 = np.dot([w6, w8], [in_h1, in_h2])
print('output_y is ', output_y1, output_y2)
print('---------------------------------------------')
运行结果:
(3)使用nn.RNNCell实现
nn.RNNCell
是一个单步 RNN 单元,用于手动处理每一个时间步的数据。它适合需要细粒度控制或对序列操作的情景。
参数
input_size
: 输入特征的维度。hidden_size
: 隐藏状态的维度。bias
: 是否包含偏置项,默认是True
。nonlinearity
: 激活函数类型,可选'tanh'
或'relu'
,默认是'tanh'
。
使用步骤
- 定义一个
nn.RNNCell
实例,指定输入和隐藏层的维度。 - 初始化隐藏状态,一般是零张量。
- 手动遍历输入序列,在每个时间步调用
rnn_cell(input_t, hidden_t)
。
主要就是实现上图这个功能(store)
代码如下:
batch_size = 1
seq_len = 3 # 序列长度
input_size = 2 # 输入序列维度
hidden_size = 2 # 隐藏层维度
output_size = 2 # 输出层维度
# RNNCell
cell = torch.nn.RNNCell(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size)
# 初始化参数,权重为1,偏置为0
for name, param in cell.named_parameters():
if name.startswith("weight"):
torch.nn.init.ones_(param)
else:
torch.nn.init.zeros_(param)
# 线性层
liner = torch.nn.Linear(hidden_size, output_size)
liner.weight.data = torch.Tensor([[1, 1], [1, 1]])
liner.bias.data = torch.Tensor([0.0])
seq = torch.Tensor([[[1, 1]],
[[1, 1]],
[[2, 2]]])
hidden = torch.zeros(batch_size, hidden_size)
output = torch.zeros(batch_size, output_size)
for idx, input in enumerate(seq):
print('=' * 20, idx, '=' * 20)
print('Input :', input)
print('hidden :', hidden)
hidden = cell(input, hidden)
output = liner(hidden)
print('output :', output)
运行结果:
对比上面numpy实现的结果相差不大
(4)使用nn.RNN实现
nn.RNN
是一个完整的 RNN 模块,可以一次性处理整个序列。它内部会自动迭代时间步并更新隐藏状态。
参数
input_size
: 输入特征的维度。hidden_size
: 隐藏状态的维度。num_layers
: RNN 的层数,默认为1
。nonlinearity
: 激活函数类型,可选'tanh'
或'relu'
,默认是'tanh'
。batch_first
: 若为True
,输入和输出的维度格式为(batch_size, seq_len, input_size)
;否则为(seq_len, batch_size, input_size)
。
返回值
output
: 所有时间步的隐藏状态(seq_len, batch_size, hidden_size)
。h_n
: 最后一个时间步的隐藏状态(num_layers, batch_size, hidden_size)
。
使用步骤
- 定义一个
nn.RNN
实例,指定输入和隐藏层的维度。 - 初始化隐藏状态(可选)。
- 将输入序列和初始隐藏状态传入
rnn(inputs, hidden)
。
代码如下:
batch_size = 1
seq_len = 3
input_size = 2
hidden_size = 2
num_layers = 1
output_size = 2
cell = torch.nn.RNN(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size, num_layers=num_layers)
for name, param in cell.named_parameters(): # 初始化参数
if name.startswith("weight"):
torch.nn.init.ones_(param)
else:
torch.nn.init.zeros_(param)
# 线性层
liner = torch.nn.Linear(hidden_size, output_size)
liner.weight.data = torch.Tensor([[1, 1], [1, 1]])
liner.bias.data = torch.Tensor([0.0])
inputs = torch.Tensor([[[1, 1]],
[[1, 1]],
[[2, 2]]])
hidden = torch.zeros(num_layers, batch_size, hidden_size)
out, hidden = cell(inputs, hidden)
print("out:", out)
print("hidden:", hidden)
print('--------------------------------------')
print('Input :', inputs[0])
print('hidden:', 0, 0)
print('Output:', liner(out[0]))
print('--------------------------------------')
print('Input :', inputs[1])
print('hidden:', out[0])
print('Output:', liner(out[1]))
print('--------------------------------------')
print('Input :', inputs[2])
print('hidden:', out[1])
print('Output:', liner(out[2]))
运行结果:
结果对比一样。
2. 实现“序列到序列”
观看视频,学习RNN原理,并实现视频P12中的教学案例
12.循环神经网络(基础篇)_哔哩哔哩_bilibili
代码如下:
input_size = 4
hidden_size = 4
batch_size = 1
idx2char = ['e', 'h', 'l', 'o']
x_data = [1, 0, 2, 2, 3]
y_data = [3, 1, 2, 3, 2]
one_hot_lookup = [[1, 0, 0, 0],
[0, 1, 0, 0],
[0, 0, 1, 0],
[0, 0, 0, 1]]
x_one_hot = [one_hot_lookup[x] for x in x_data]
inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(-1, batch_size, input_size)
labels = torch.LongTensor(y_data).view(-1, 1)
class Model(torch.nn.Module):
def __init__(self, input_size, hidden_size, batch_size):
super(Model, self).__init__()
self.batch_size = batch_size
self.input_size = input_size
self.hidden_size = hidden_size
self.rnncell = torch.nn.RNNCell(input_size=self.input_size, hidden_size=self.hidden_size)
def forward(self, input, hidden):
hidden = self.rnncell(input, hidden)
return hidden
def init_hidden(self):
return torch.zeros(self.batch_size, self.hidden_size)
net = Model(input_size, hidden_size, batch_size)
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=0.1)
for epoch in range(15):
loss = 0
optimizer.zero_grad()
hidden = net.init_hidden()
print('Predicted string: ', end='')
for input, label in zip(inputs, labels):
hidden = net(input, hidden)
loss += criterion(hidden, label)
_, idx = hidden.max(dim=1)
print(idx2char[idx.item()], end='')
loss.backward()
optimizer.step()
print(', Epoch [%d/15] loss=%.4f' % (epoch + 1, loss.item()))
运行结果:
3. “编码器-解码器”的简单实现
参考链接:Seq2Seq的PyTorch实现 - mathor
代码如下:
import torch
import numpy as np
import torch.nn as nn
import torch.utils.data as Data
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
letter = [c for c in 'SE?abcdefghijklmnopqrstuvwxyz']
letter2idx = {n: i for i, n in enumerate(letter)}
seq_data = [['man', 'women'], ['black', 'white'], ['king', 'queen'], ['girl', 'boy'], ['up', 'down'], ['high', 'low']]
# Seq2Seq Parameter
n_step = max([max(len(i), len(j)) for i, j in seq_data]) # max_len(=5)
n_hidden = 128
n_class = len(letter2idx) # classfication problem
batch_size = 3
def make_data(seq_data):
enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all = [], [], []
for seq in seq_data:
for i in range(2):
seq[i] = seq[i] + '?' * (n_step - len(seq[i])) # 'man??', 'women'
enc_input = [letter2idx[n] for n in (seq[0] + 'E')] # ['m', 'a', 'n', '?', '?', 'E']
dec_input = [letter2idx[n] for n in ('S' + seq[1])] # ['S', 'w', 'o', 'm', 'e', 'n']
dec_output = [letter2idx[n] for n in (seq[1] + 'E')] # ['w', 'o', 'm', 'e', 'n', 'E']
enc_input_all.append(np.eye(n_class)[enc_input])
dec_input_all.append(np.eye(n_class)[dec_input])
dec_output_all.append(dec_output) # not one-hot
# make tensor
return torch.Tensor(enc_input_all), torch.Tensor(dec_input_all), torch.LongTensor(dec_output_all)
enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all = make_data(seq_data)
class TranslateDataSet(Data.Dataset):
def __init__(self, enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all):
self.enc_input_all = enc_input_all
self.dec_input_all = dec_input_all
self.dec_output_all = dec_output_all
def __len__(self): # return dataset size
return len(self.enc_input_all)
def __getitem__(self, idx):
return self.enc_input_all[idx], self.dec_input_all[idx], self.dec_output_all[idx]
loader = Data.DataLoader(TranslateDataSet(enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all), batch_size, True)
# Model
class Seq2Seq(nn.Module):
def __init__(self):
super(Seq2Seq, self).__init__()
self.encoder = nn.RNN(input_size=n_class, hidden_size=n_hidden, dropout=0.5) # encoder
self.decoder = nn.RNN(input_size=n_class, hidden_size=n_hidden, dropout=0.5) # decoder
self.fc = nn.Linear(n_hidden, n_class)
def forward(self, enc_input, enc_hidden, dec_input):
enc_input = enc_input.transpose(0, 1) # enc_input: [n_step+1, batch_size, n_class]
dec_input = dec_input.transpose(0, 1) # dec_input: [n_step+1, batch_size, n_class]
# h_t : [num_layers(=1) * num_directions(=1), batch_size, n_hidden]
_, h_t = self.encoder(enc_input, enc_hidden)
# outputs : [n_step+1, batch_size, num_directions(=1) * n_hidden(=128)]
outputs, _ = self.decoder(dec_input, h_t)
model = self.fc(outputs) # model : [n_step+1, batch_size, n_class]
return model
model = Seq2Seq().to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss().to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
for epoch in range(5000):
for enc_input_batch, dec_input_batch, dec_output_batch in loader:
# make hidden shape [num_layers * num_directions, batch_size, n_hidden]
h_0 = torch.zeros(1, batch_size, n_hidden).to(device)
(enc_input_batch, dec_intput_batch, dec_output_batch) = (
enc_input_batch.to(device), dec_input_batch.to(device), dec_output_batch.to(device))
# enc_input_batch : [batch_size, n_step+1, n_class]
# dec_intput_batch : [batch_size, n_step+1, n_class]
# dec_output_batch : [batch_size, n_step+1], not one-hot
pred = model(enc_input_batch, h_0, dec_intput_batch)
# pred : [n_step+1, batch_size, n_class]
pred = pred.transpose(0, 1) # [batch_size, n_step+1(=6), n_class]
loss = 0
for i in range(len(dec_output_batch)):
# pred[i] : [n_step+1, n_class]
# dec_output_batch[i] : [n_step+1]
loss += criterion(pred[i], dec_output_batch[i])
if (epoch + 1) % 1000 == 0:
print('Epoch:', '%04d' % (epoch + 1), 'cost =', '{:.6f}'.format(loss))
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
# Test
def translate(word):
enc_input, dec_input, _ = make_data([[word, '?' * n_step]])
enc_input, dec_input = enc_input.to(device), dec_input.to(device)
# make hidden shape [num_layers * num_directions, batch_size, n_hidden]
hidden = torch.zeros(1, 1, n_hidden).to(device)
output = model(enc_input, hidden, dec_input)
# output : [n_step+1, batch_size, n_class]
predict = output.data.max(2, keepdim=True)[1] # select n_class dimension
decoded = [letter[i] for i in predict]
translated = ''.join(decoded[:decoded.index('E')])
return translated.replace('?', '')
print('test')
print('man ->', translate('man'))
print('mans ->', translate('mans'))
print('king ->', translate('king'))
print('black ->', translate('black'))
print('up ->', translate('up'))
print('old ->', translate('old'))
print('high ->', translate('high'))
运行结果:
4.谈一谈对“序列”、“序列到序列”的理解
4.1序列
序列是指一个按时间或位置排列的数据集合,数据点之间存在某种逻辑或时间上的依赖关系。在深度学习中,序列是指具有时间步或顺序相关性的输入数据。
特点:
- 数据点之间存在顺序依赖。
- 序列长度可以是固定的或可变的。
- 序列模型(如 RNN、LSTM、Transformer)可以捕捉序列中的上下文信息。
4.2序列到序列
序列到序列是一种特殊的深度学习任务,模型的输入是一个序列,输出也是一个序列。Seq2Seq 模型广泛应用于解决输入和输出长度不同且具有序列关系的问题。
Seq2Seq 模型通常由两部分组成:编码器(Encoder) 和 解码器(Decoder)。
编码器(Encoder)
- 输入:源序列(例如英文句子)逐步输入到模型中。
- 任务:提取输入序列的上下文信息,并将其压缩成一个固定维度的上下文向量(Context Vector),作为解码器的输入。
- 常用模型:RNN、LSTM、GRU 或 Transformer。
解码器(Decoder)
- 输入:编码器输出的上下文向量,以及解码器自身的前一步输出。
- 任务:基于上下文向量和自身的历史输出,生成目标序列(例如翻译后的法语句子)。
- 解码过程通常是逐步预测,依赖于上一时间步的输出和当前隐藏状态。
Seq2Seq 模型的优缺点
优点:
- 通用性:可以处理任意长度的输入和输出。
- 灵活性:适用于各种序列任务,包括翻译、摘要、文本生成。
- 扩展性:结合注意力机制、Transformer 等,可以进一步提升性能。
缺点:
- 训练复杂性:训练过程需要对整个序列进行建模,可能导致梯度消失或爆炸问题(部分通过 LSTM、GRU 缓解)。
- 效率问题:如果序列过长,计算成本较高。
- 性能瓶颈:在传统 RNN 基础上,长序列信息难以保留,可能导致上下文丢失。
5.总结本周理论课和作业,写心得体会
前馈神经网络存在以下缺点:
每次输入都是独立的,只依赖于当前的输入
- 序列强调数据的时间步或逻辑顺序,具有内在依赖性。
- 序列到序列模型通过编码器解码器结构,学习输入序列到输出序列的映射关系
循环神经网络特点:
这次的分享就到这里啦,下次再见~