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什么是循环神经网络？

article 2025/1/30 12:52:35

一、概念

循环神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）是一类用于处理序列数据的神经网络。与传统的前馈神经网络不同，RNN具有循环连接，可以利用序列数据的时间依赖性。正因如此，RNN在自然语言处理、时间序列预测、语音识别等领域有广泛的应用。

二、核心算法

RNN的核心思想是通过循环连接来记忆和处理序列数据中的上下文信息。RNN在每个时间步（time step）上接收当前输入和前一个时间步的隐藏状态（hidden state），并输出当前时间步的隐藏状态和输出。RNN的基本结构包括输入层、隐藏层和输出层。隐藏层的状态在每个时间步都会更新，并传递到下一个时间步。具体来说，RNN在时间步 t 的计算过程如下：

1、输入

获取当前时间步的输入 $x_{t}$ 。

2、隐藏状态更新

根据当前的输入 $x_{t}$ 和前一个时间步的隐藏状态 $h_{t-1}$ ，计算当前时间步的隐藏状态 $h_{t}$ ：

$h_{t} = \sigma(W_{xh}x_{t}+W_{hh}h_{t-1}+b_{h})$

其中， $W_{xh}$ 是输入x到隐藏层的权重矩阵， $W_{hh}$ 是隐藏层到隐藏层的权重矩阵， $b_{h}$ 是隐藏层的偏置向量， $\sigma$ 是激活函数。

3、输出

根据当前时间步的隐藏状态 $h_{t}$ 计算当前时间步的输出 $y_{t}$ ：

$y_{t} = \phi (W_{hy}h_{t}+b_{y})$

其中， $W_{hy}$ 是隐藏层到输出层的权重矩阵， $b_{y}$ 是输出层的偏置向量， $\phi$ 是输出层的激活函数。

三、python实现

这里，我们使用一个简单的正弦波数据来演示RNN在时间序列预测中的应用。

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

# 设置随机种子
torch.manual_seed(0)
np.random.seed(0)

# 生成正弦波数据
timesteps = 100
sin_wave = np.array([np.sin(2 * np.pi * i / timesteps) for i in range(timesteps)])

# 创建数据集
def create_dataset(data, time_step=1):
    dataX, dataY = [], []
    for i in range(len(data) - time_step - 1):
        a = data[i:(i + time_step)]
        dataX.append(a)
        dataY.append(data[i + time_step])
    return np.array(dataX), np.array(dataY)

time_step = 10
X, y = create_dataset(sin_wave, time_step)

# 数据预处理
X = X.reshape(X.shape[0], time_step, 1)
y = y.reshape(-1, 1)

# 转换为Tensor
X = torch.tensor(X, dtype=torch.float32)
y = torch.tensor(y, dtype=torch.float32)

# 划分训练集和测试集
train_size = int(len(X) * 0.7)
test_size = len(X) - train_size
trainX, testX = X[:train_size], X[train_size:]
trainY, testY = y[:train_size], y[train_size:]

# 定义RNN模型
class RNNModel(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(RNNModel, self).__init__()
        self.hidden_size = hidden_size
        self.rnn = nn.RNN(input_size, hidden_size, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

    def forward(self, x):
        h0 = torch.zeros(1, x.size(0), self.hidden_size)
        out, _ = self.rnn(x, h0)
        out = self.fc(out[:, -1, :])
        return out

input_size = 1
hidden_size = 50
output_size = 1
model = RNNModel(input_size, hidden_size, output_size)

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

# 训练模型
num_epochs = 200
for epoch in range(num_epochs):
    model.train()
    optimizer.zero_grad()
    outputs = model(trainX)
    loss = criterion(outputs, trainY)
    loss.backward()
    optimizer.step()

    if (epoch + 1) % 10 == 0:
        print(f'Epoch [{epoch + 1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')

# 预测
model.eval()
train_predict = model(trainX)
test_predict = model(testX)
train_predict = train_predict.detach().numpy()
test_predict = test_predict.detach().numpy()

# 绘制结果
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(sin_wave, label='Original Data')
plt.plot(np.arange(time_step, time_step + len(train_predict)), train_predict, label='Training Predict')
plt.plot(np.arange(time_step + len(train_predict), time_step + len(train_predict) + len(test_predict)), test_predict, label='Test Predict')
plt.legend()
plt.show()

四、总结

RNN能够处理任意长度的序列数据，这使得它在自然语言处理、时间序列预测、语音识别等领域非常有用。然而，标准RNN在捕捉长时间依赖关系方面表现不佳。为了解决这个问题，大佬们相继提出了长短期记忆网络（LSTM）和门控循环单元（GRU）等RNN的变体，在增加模型的复杂度的同时提高了RNN对长时间依赖关系的捕捉能力。此外，由于RNN的时间步之间存在依赖关系，因此难以进行并行化处理。

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