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[人工智能]深度学习 第十三讲 循环神经网络(RNN)

主要用来处理具有序列关系的数据(典型 自然语言)
在这里插入图片描述
拿RNN cell这个线性层(实际是一个Linear)反复进行运算
在这里插入图片描述

1.这个xi会进行线性变换,wih是一个(hidden_sizeinput_size)的矩阵,将x变为hidden维
2.上一层的输入ht-1也进行线性变换,不过这个whh是(hidden_size
hidden_size)
3.最后两个(hidden_size*hidden_size)相加,进行信息融合
4.再用一个tanh激活函数
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
确定一个RNN cell需要两个值
在这里插入图片描述
如何使用RNNcell
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
如何使用RNN
使用RNN就不用自己写循环了
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
使用numlayer
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
例子
在这里插入图片描述
step1
构造一个词典,构造一个向量(词典多少个,向量就多少维(列)),将这个向量作为输入(input_size = 4)

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
这里的模型是 RNN cell

import torch
input_size = 4
hidden_size = 4
batch_size = 1
##准备数据
idx2char = ['e','h','l','o']
x_data = [1,0,2,2,3]
#hello
y_data = [3,1,2,3,2]
#ohlol
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]
#这一步是创造出x这个矩阵,用one_hot_lookup表示
inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(-1,batch_size,input_size)
#这个-1 因为有一个序列长度
labels = torch.LongTensor(y_data).view(-1,1)
#一个N维的矩阵

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)
        #做了一次
        return hidden

    def init_hidden(self):
        #构造初始层,构造h0时会用到
        return torch.zeros(self.batch_size,self.hidden_size)

net =Model(input_size,hidden_size,batch_size)
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()#交叉熵size_average=False
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr = 0.05)#, momentum=0.5
#Adam也就一个基于随机梯度下降的优化器

for epoch in range(15):
    loss = 0
    optimizer.zero_grad()
    hidden= net.init_hidden()
    #初始值
    print('预测的字符:',end = ' ')
    for input,label in zip(inputs,labels):
        #实际遍历的时候,拿到的是不同batch的
        hidden = net(input,hidden)
        loss+=criterion(hidden,label)
        #每一步损失相加
        _,idx = hidden.max(dim= 1)
        #返回的是 值和下标  这里idx接收下标
        print(idx2char[idx.item()],end = ' ')
    loss.backward()
    optimizer.step()
    print(', Epoch[%d/15] loss = %.4f' % (epoch+1,loss.item()))




输出
在这里插入图片描述

这里是RNN

import torch
input_size = 4
hidden_size = 4
batch_size = 1
seq_len = 5
num_layers = 1
##准备数据
idx2char = ['e','h','l','o']
x_data = [1,0,2,2,3]
#hello
y_data = [3,1,2,3,2]
#ohlol
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]
#这一步是创造出x这个矩阵,用one_hot_lookup表示
#inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(-1,batch_size,input_size)
inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(seq_len,batch_size,input_size)
#这个-1 因为有一个序列长度
#labels = torch.LongTensor(y_data).view(-1,1)
labels = torch.LongTensor(y_data)
#我读调整为seq*batchsize,1
#一个N维的矩阵

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)
        #做了一次
        return hidden

    def init_hidden(self):
        #构造初始层,构造h0时会用到
        return torch.zeros(self.batch_size,self.hidden_size)


class RNNModel(torch.nn.Module):
    def __init__(self,input_size,hidden_size,batch_size,num_layers = 1):
        super(RNNModel, self).__init__()
        self.num_layers = num_layers
        self.batch_size = batch_size
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.rnn = torch.nn.RNN(input_size = self.input_size,
                                hidden_size = self.hidden_size,
                                num_layers= num_layers)

    def forward(self,input):
        #构造h0
        hidden = torch.zeros(self.num_layers,
                             self.batch_size,
                             self.hidden_size)
        out,_ = self.rnn(input,hidden)
        return out.view(-1,self.hidden_size)
        #输出变成2维的(seq*Batch,1)

#net =Model(input_size,hidden_size,batch_size)
net = RNNModel(input_size,hidden_size,batch_size,num_layers)
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()#交叉熵size_average=False
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr = 0.05)#, momentum=0.5
#Adam也就一个基于随机梯度下降的优化器

for epoch in range(25):
    optimizer.zero_grad()
    outputs = net(inputs)
    loss = criterion(outputs,labels)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    _,idx = outputs.max(dim = 1)
    idx = idx.data.numpy()
    print('预测:',' '.join([idx2char[x] for x in idx]),end = '')
    print(', Epoch[%d/15] loss = %.4f' % (epoch+1,loss.item()))




输出
在这里插入图片描述
问题:如果字符集很大,那么需要降维–embeddinng
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

import torch
input_size = 4
hidden_size = 4
batch_size = 1
seq_len = 5
num_layers = 1
embedding_size =10
num_class = 4
#类别
##准备数据
idx2char = ['e','h','l','o']
x_data = [1,0,2,2,3]
#hello
y_data = [3,1,2,3,2]
#ohlol
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]
#这一步是创造出x这个矩阵,用one_hot_lookup表示
#inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(-1,batch_size,input_size)
inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(seq_len,batch_size,input_size)
#这个-1 因为有一个序列长度
#labels = torch.LongTensor(y_data).view(-1,1)
labels = torch.LongTensor(y_data)
#我读调整为seq*batchsize,1
#一个N维的矩阵

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)
        #做了一次
        return hidden

    def init_hidden(self):
        #构造初始层,构造h0时会用到
        return torch.zeros(self.batch_size,self.hidden_size)


class RNNModel(torch.nn.Module):
    def __init__(self,input_size,hidden_size,batch_size,num_layers = 1):
        super(RNNModel, self).__init__()
        self.num_layers = num_layers
        self.batch_size = batch_size
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.rnn = torch.nn.RNN(input_size = self.input_size,
                                hidden_size = self.hidden_size,
                                num_layers= num_layers)

    def forward(self,input):
        #构造h0
        hidden = torch.zeros(self.num_layers,
                             self.batch_size,
                             self.hidden_size)
        out,_ = self.rnn(input,hidden)
        return out.view(-1,self.hidden_size)
        #输出变成2维的(seq*Batch,1)

class RNN_EMB_Model(torch.nn.Module):
    def __init__(self,input_size,hidden_size,batch_size,num_layers = 1):
        super(RNNModel, self).__init__()
        self.emb = torch.nn.Embedding(input_size,embedding_size)
        self.rnn = torch.nn.RNN(input_size = embedding_size,
                                hidden_size = hidden_size,
                                num_layers = num_layers,
                                batch_first = True)
        self.fc = torch.nn.Linear(hidden_size,num_class)
    def forward(self,x):
        #构造h0
        hidden = torch.zeros(self.num_layers,
                             x.size(0),
                             self.hidden_size)
        x = self.emb(x)#(batch,seqLen,embeddingSize)
        x,_ = self.rnn(x,hidden)
        x = self.fc(x)
        return x.view(-1,num_class)
        #输出变成2维的(seq*Batch,1)

#net =Model(input_size,hidden_size,batch_size)
net = RNNModel(input_size,hidden_size,batch_size,num_layers)
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()#交叉熵size_average=False
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr = 0.05)#, momentum=0.5
#Adam也就一个基于随机梯度下降的优化器

for epoch in range(25):
    optimizer.zero_grad()
    outputs = net(inputs)
    loss = criterion(outputs,labels)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    _,idx = outputs.max(dim = 1)
    idx = idx.data.numpy()
    print('预测:',' '.join([idx2char[x] for x in idx]),end = '')
    print(', Epoch[%d/15] loss = %.4f' % (epoch+1,loss.item()))




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