循环神经网络-基础篇Basic-RNN

我们把全连接网络也叫做稠密网络DNN，其中X1到X8是不同样本的特征

在这里插入图片描述

而本文介绍的循环神经网络RNN主要处理的是具有序列关系的输入数据，即前面的输入和后面的输入是有关系的。例如天气，股市，金融数据和自然语言等

什么是RNN

首先来看一个简单的循环神经网络结构

将序列 $x_{1}-x_{4}$ 作为输入到 $RNNC e ll$ ，它是一个线型层（Linear），可以得到隐层输出 $h$ ,其中 $x_{2}$ 不仅包含自己的信息，也包含 $x_{1}$ 的信息。

在这里插入图片描述

$h_{0}$ 是一个先验，例如，我们想要从图像到文本的转换时，我们可以选择用CNN+FC作为 $h_{0}$ 输入，结合RNN

如果我们没有先验，则把 $h_{0}$ 的维度设置和其余 $h$ 相同，其值为全0。

我们来具体看一下计算过程。

输入的维度是input_size*1
隐层的维度是hidden_size
线性变换 $W_{i h} x_{t}+b_{i h}$ ，其中$ W $KaTeX parse error: Undefined control sequence: \* at position 18: …是一个hidden\_size\̲*̲input\_size的矩阵。…$ W_{i h} x_{t}+b_{i h}$维度就和隐层的维度一致
在上一层的权重矩阵 $W_{h h}$ 的维度是hidden_size * hidden_size
我们把算出来的 $W_{h h} h_{t-1}+b_{h h}$ 和 $W_{i h} x_{t}+b_{i h}$ 进行相加，都是hidden_size的向量
融合完之后做一个 $t anh$ 的激活函数
最后算出来的 $\boldsymbol{h}_{t}$ 就是这一层的输出

在这里插入图片描述

其实本质上可以变成一个线型层

在这里插入图片描述

RNN构造

RNN构造在pytorch中有两种构造方式

做自己的RNN Cell，自己写处理序列的循环
直接使用RNN

第一种方式：RNN Cell

我们先来看一下RNN Cell是怎么用的

在设计RNN Cell 时，要确定输入维度input_size和输出维度hidden_size

在这里插入图片描述

在进行调用的时候要加上当前时刻的输入input加上当前的hidden

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下面我们看一个实例

在这里插入图片描述

import torch

# Parameters
batch_size = 1
seq_len = 3
input_size = 4
hidden_size = 2

# Construction of RNNCell
cell = torch.nn.RNNCell(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size)

# (seq,batch,features)
dataset = torch.randn(seq_len,batch_size,input_size)
# Initializing the hidden to zero
hidden = torch.zeros(batch_size,hidden_size)

for idx,input in enumerate(dataset):
    print('=' * 20, idx, '='*20)
    print('Input size:', input.shape)  # the shape of input is (batchsize,inputsize)

    hidden = cell(input,hidden)

    print('hidden size:', hidden.shape)
    print(hidden)
    
 # ================输出结果===================
 ==================== 0 ====================
Input size: torch.Size([1, 4])
hidden size: torch.Size([1, 2])
tensor([[0.2663, 0.8438]], grad_fn=<TanhBackward0>)
==================== 1 ====================
Input size: torch.Size([1, 4])
hidden size: torch.Size([1, 2])
tensor([[-0.2387, -0.4385]], grad_fn=<TanhBackward0>)
==================== 2 ====================
Input size: torch.Size([1, 4])
hidden size: torch.Size([1, 2])
tensor([[0.8720, 0.5714]], grad_fn=<TanhBackward0>)

第二种方式：RNN

需要确定输入维度input_size和输出维度hidden_size和RNN的层数num_layers

其中inputs代表整个输入序列 $x$ ，hidden代表 $h_{0}$ ,out代表隐层序列 $h$ ，hidden代表最后的输出 $h_{N}$

在这里插入图片描述

我们需要确定他们的维度

在这里插入图片描述

下面我们看一个实例

在这里插入图片描述

📌什么是numLayers，例如下方有三个numLayers

在这里插入图片描述

import torch

batch_size = 1
seq_len = 3
input_size = 4
hidden_size = 2
num_layers = 1

cell = torch.nn.RNN(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size, num_layers=num_layers)

inputs = torch.randn(seq_len,batch_size,input_size)
hidden = torch.zeros(num_layers,batch_size,hidden_size)

out, hidden = cell(inputs,hidden)

print('Output size:', out.shape)
print('Output:',out)
print('Hidden size:', hidden.shape)
print('Hidden', hidden)


 # ================输出结果===================
Output size: torch.Size([3, 1, 2])
Output: tensor([[[-0.1512,  0.2489]],

        [[-0.3888, -0.3375]],

        [[-0.1606,  0.4324]]], grad_fn=<StackBackward0>)
Hidden size: torch.Size([1, 1, 2])
Hidden tensor([[[-0.1606,  0.4324]]], grad_fn=<StackBackward0>)

另外还有一个参数是batch_first

在这里插入图片描述

序列到序列的例子

现在想要训练一个模型，把文本从hello 输出到 ohlol

在这里插入图片描述

这些文本字母并不是一个向量，我们第一步要把字母向量化表示

在这里插入图片描述

把输入的字母映射成一个词典，然后通过索引值，转化称为独热向量

最后的输出对应的也是长度为4的向量

在这里插入图片描述

下面就是整个进行训练的结构

在这里插入图片描述

使用RNN Cell代码演示

import torch

# ===============准备数据====================
input_size = 4
hidden_size = 4
batch_size = 1

# dictionary
idx2char = ['e', 'h', 'l', 'o']
x_data = [1, 0, 2, 2, 3]  # hello
y_data = [3, 1, 2, 3, 2]  # ohlol

# 独热向量
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]  # 维度是seq * input_size

# reshape the inputs to (seqLen,batchSize,inputSize)
inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(-1, batch_size, input_size)
# reshape the labels to (seqLen,1)
labels = torch.LongTensor(y_data).view(-1, 1)


# ===============构造模型====================
class Model(torch.nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, batch_size):
        super(Model, self).__init__()
        # initial the parameters
        self.batch_size = batch_size
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        # shape of inputs: (batchSize,inputSize)
        # shape of hidden: (batchSize,hiddenSize)
        self.rnncell = torch.nn.RNNCell(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size)

    def forward(self, input, hidden):
        hidden = self.rnncell(input, hidden)
        return hidden

    # 生成默认的h0
    def init_hidden(self):
        return torch.zeros(self.batch_size, self.hidden_size)


net = Model(input_size, hidden_size, batch_size)


# ===============损失和优化器====================
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(),lr=0.1)

# ===============训练模型====================
for epoch in range(15):
    loss = 0
    # 梯度归0
    optimizer.zero_grad()
    # h0
    hidden = net.init_hidden()
    print('Predicted string:',end='')
    # inputs 的维度是（seqLen,batchSize,inputSize） 按seqLen进行循环
    # input 的维度是（batchSize,inputSize）
    # labels 的维度是（seqSize,1）
    # label 的维度是（1）
    for input, label in zip(inputs,labels):
        hidden = net(input,hidden)
        loss += criterion(hidden, label) # 整个计算的loss和才是最终的loss
        # 把hidden中最大值的下标找到
        _, idx = hidden.max(dim=1)
        print(idx2char[idx.item()],end='')
    loss.backward()
    optimizer.step()
    print(', Epoch[%d/15] loss=%.4f' %(epoch+1, loss.item()))

输出结果

Predicted string:eoooe, Epoch[1/15] loss=7.5483
Predicted string:ooooo, Epoch[2/15] loss=6.0676
Predicted string:ooool, Epoch[3/15] loss=5.2073
Predicted string:ohlol, Epoch[4/15] loss=4.7479
Predicted string:ohlol, Epoch[5/15] loss=4.4771
Predicted string:ohlol, Epoch[6/15] loss=4.2829
Predicted string:ohlol, Epoch[7/15] loss=4.0976
Predicted string:ohlol, Epoch[8/15] loss=3.8791
Predicted string:ohlol, Epoch[9/15] loss=3.6212
Predicted string:ohlol, Epoch[10/15] loss=3.3628
Predicted string:ohlol, Epoch[11/15] loss=3.1412
Predicted string:ohlol, Epoch[12/15] loss=2.9649
Predicted string:ohlol, Epoch[13/15] loss=2.8203
Predicted string:ohlol, Epoch[14/15] loss=2.6825
Predicted string:ohlol, Epoch[15/15] loss=2.5410

使用RNN代码演示

import torch

# ===============准备数据====================
input_size = 4
hidden_size = 4
batch_size = 1
num_layers = 1
seq_len = 5

# dictionary
idx2char = ['e', 'h', 'l', 'o']
x_data = [1, 0, 2, 2, 3]  # hello
y_data = [3, 1, 2, 3, 2]  # ohlol

# 独热向量
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]  # 维度是seq * input_size

# reshape the inputs to (seqLen,batchSize,inputSize)
inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(seq_len, batch_size, input_size)
# reshape the labels to (seqLen*batchSize,1)
labels = torch.LongTensor(y_data)


# ===============构造模型====================
class Model(torch.nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, batch_size,num_layers =1):
        super(Model, self).__init__()
        # initial the parameters
        self.num_layers = num_layers
        self.batch_size = batch_size
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        # shape of inputs: (batchSize,inputSize)
        # shape of hidden: (batchSize,hiddenSize)
        self.rnn = torch.nn.RNN(input_size=self.input_size,hidden_size=self.hidden_size,num_layers=self.num_layers)

    def forward(self, input):
        # shape of hidden：(numLayers,batchSize,hiddenSize)
        hidden = torch.zeros(self.num_layers,self.batch_size,self.hidden_size)
        out,_ =self.rnn(input,hidden)
        # reshape out to: (seqLen*batchSize,hiddenSize)
        return out.view(-1,self.hidden_size)

    # 生成默认的h0
    def init_hidden(self):
        return torch.zeros(self.batch_size, self.hidden_size)


net = Model(input_size, hidden_size, batch_size,num_layers)


# ===============损失和优化器====================
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(),lr=0.1)

# ===============训练模型====================
# inputs 的维度是（seqLen,batchSize,inputSize） 按seqLen进行循环
# input 的维度是（batchSize,inputSize）
# labels 的维度是（seqSize,1）
# label 的维度是（1）
for epoch in range(15):
    optimizer.zero_grad()
    outputs = net(inputs)
    loss = criterion(outputs,labels)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    # 把hidden中最大值的下标找到
    _, idx = outputs.max(dim=1)
    idx = idx.data.numpy()
    print('Predicted;',''.join([idx2char[x] for x in idx]), end='')
    print(', Epoch[%d/15] loss=%.4f' %(epoch+1, loss.item()))

输出结果

Predicted; lllll, Epoch[1/15] loss=1.3361
Predicted; lllll, Epoch[2/15] loss=1.1672
Predicted; ohlll, Epoch[3/15] loss=1.0181
Predicted; ohlll, Epoch[4/15] loss=0.8844
Predicted; ohlol, Epoch[5/15] loss=0.7967
Predicted; ohloo, Epoch[6/15] loss=0.7348
Predicted; ohloo, Epoch[7/15] loss=0.6838
Predicted; ohloo, Epoch[8/15] loss=0.6443
Predicted; ohloo, Epoch[9/15] loss=0.6131
Predicted; ohlol, Epoch[10/15] loss=0.5868
Predicted; ohlol, Epoch[11/15] loss=0.5629
Predicted; ohlol, Epoch[12/15] loss=0.5373
Predicted; ohlol, Epoch[13/15] loss=0.5034
Predicted; ohlol, Epoch[14/15] loss=0.4587
Predicted; ohlol, Epoch[15/15] loss=0.4225

embedding嵌入层

独热编码的缺点：

高纬度
向量稀疏
硬编码

由此引出了Embedding嵌入层，把高维的稀疏的样本映射到稀疏的稠密的空间里

在这里插入图片描述

接下来看一下数据降维的方式

embedding的原理是使用矩阵乘法来进行降维，从而达到节约存储空间的目的。

假设 $in p u tS i ze$ 是4维的， $e mb e dd in g S i ze$ 是5维的，我们想要4维转换成5维，就构建一个矩阵

在这里插入图片描述

在这个矩阵中我们可以做出查询，比如查询索引为2，Embedding Layer就把一整行的向量输出

在这里插入图片描述

https://blog.csdn.net/qq_36722887/article/details/118613262

https://blog.csdn.net/qq_41775769/article/details/121825668?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=Embedding&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduweb~default-2-121825668.nonecase&spm=1018.2226.3001.4187

下面我们使用embedding嵌入层和linear layer线型层来优化RNN

在这里插入图片描述

在embedding参数中，有以下的内容

在这里插入图片描述

前两个参数是指输入的维度和embedding维度，构成了矩阵的维度

在这里插入图片描述

输入是（seg*batch）的向量，输出就是（（seg*batch）embedding_dim）

线型层参数如下

在这里插入图片描述

交叉熵参数

在这里插入图片描述

网络结构如下

在这里插入图片描述

在这个例子中我们使用了batch_first=True

在这里插入图片描述

全连接层中

在这里插入图片描述

最后把输出变成矩阵形式

在这里插入图片描述

代码演示

import torch

# ===============准备数据====================
num_class = 4  # 类别
input_size = 4  # 输入
hidden_size = 8  # 输出
embedding_size = 10  # 嵌入层
num_layers = 2  # 2层RNN
batch_size = 1
seq_len = 5  # 序列长度

# dictionary
idx2char = ['e', 'h', 'l', 'o']
x_data = [[1, 0, 2, 2, 3]]  # hello  (batch,seqLen)
y_data = [3, 1, 2, 3, 2]  # ohlol  (batch*seqLen)
inputs = torch.LongTensor(x_data)
labels = torch.LongTensor(y_data)


# ===============构造模型====================
class Model(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()
        # matrix of Embedding: (inputSize,embeddingSize)
        self.emb = torch.nn.Embedding(input_size, embedding_size)
        # batch_First=True   input of RNN:(batch,seqLen,embeddingSize)   output of RNN:(batchSize,seqLen,hiddenSize)
        self.rnn = torch.nn.RNN(input_size=embedding_size, hidden_size=hidden_size, num_layers=num_layers,
                                batch_first=True)
        # input of FC layer:(batchSize,seqLen,hiddenSize)  output of FC layer:(batchSize,seqLen,numClass)
        self.fc = torch.nn.Linear(hidden_size, num_class)

    def forward(self, x):
        hidden = torch.zeros(num_layers, x.size(0), hidden_size)
        # input should be LongTensor:(batchSize,seqLen)
        x = self.emb(x)  # output of shape :(batch,seqLen,embeddingSize)
        x, _ = self.rnn(x, hidden)
        x = self.fc(x)
        # reshape result to use Cross Entropy Loss: (batchSize*seqLen,numClass)
        return x.view(-1, num_class)

    # 生成默认的h0
    def init_hidden(self):
        return torch.zeros(self.batch_size, self.hidden_size)


net = Model()

# ===============损失和优化器====================
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=0.05)

# ===============训练模型====================

for epoch in range(15):
    optimizer.zero_grad()
    outputs = net(inputs)
    loss = criterion(outputs, labels)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    # 把hidden中最大值的下标找到
    _, idx = outputs.max(dim=1)
    idx = idx.data.numpy()
    print('Predicted;', ''.join([idx2char[x] for x in idx]), end='')
    print(', Epoch[%d/15] loss=%.4f' % (epoch + 1, loss.item()))

输出结果

Predicted; lleel, Epoch[1/15] loss=1.4850
Predicted; lllll, Epoch[2/15] loss=1.1580
Predicted; lllll, Epoch[3/15] loss=0.9671
Predicted; lhlll, Epoch[4/15] loss=0.7869
Predicted; ohlol, Epoch[5/15] loss=0.6619
Predicted; ohlol, Epoch[6/15] loss=0.5250
Predicted; ohlol, Epoch[7/15] loss=0.4078
Predicted; ohlol, Epoch[8/15] loss=0.3297
Predicted; ohlol, Epoch[9/15] loss=0.2575
Predicted; ohlol, Epoch[10/15] loss=0.2005
Predicted; ohlol, Epoch[11/15] loss=0.1565
Predicted; ohlol, Epoch[12/15] loss=0.1194
Predicted; ohlol, Epoch[13/15] loss=0.0863
Predicted; ohlol, Epoch[14/15] loss=0.0588
Predicted; ohlol, Epoch[15/15] loss=0.0423