可植入代码网站开发,网站建站上海,电商运营的基本流程,17做网站新塘牛仔城注#xff1a;书中对代码的讲解并不详细#xff0c;本文对很多细节做了详细注释。另外#xff0c;书上的源代码是在Jupyter Notebook上运行的#xff0c;较为分散#xff0c;本文将代码集中起来#xff0c;并加以完善#xff0c;全部用vscode在python 3.9.18下测试通过书中对代码的讲解并不详细本文对很多细节做了详细注释。另外书上的源代码是在Jupyter Notebook上运行的较为分散本文将代码集中起来并加以完善全部用vscode在python 3.9.18下测试通过同时对于书上部分章节也做了整合。
Chapter8 Recurrent Neural Networks
8.5 Implementation of RNN from Scratch
8.5.1 Model Defining
import math
import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from d2l import torch as d2l
import matplotlib.pyplot as pltbatch_size, num_steps 32, 35
train_iter, vocab d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)#每个词元都表示为一个数字索引但将这些索引直接输入神经网络可能会使学习变得困难。
#最简单的表示称为独热编码one-hot encoding即将每个索引映射为相互不同的单位向量
#假设词表中不同词元的数目为N即len(vocab)词元索引的范围为0到N-1。
#如果词元的索引是整数i那么我们将创建一个长度为N的全0向量并将第i处的元素设置为1。
F.one_hot(torch.tensor([0, 2]), len(vocab))#索引为0和2的独热向量X torch.arange(10).reshape((2, 5))
print(F.one_hot(X.T, 28).shape)#形状为时间步数批量大小词表大小def get_params(vocab_size, num_hiddens, device):num_inputs num_outputs vocab_sizedef normal(shape):return torch.randn(sizeshape, devicedevice) * 0.01# 隐藏层参数W_xh normal((num_inputs, num_hiddens))W_hh normal((num_hiddens, num_hiddens))b_h torch.zeros(num_hiddens, devicedevice)# 输出层参数W_hq normal((num_hiddens, num_outputs))b_q torch.zeros(num_outputs, devicedevice)# 附加梯度params [W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q]for param in params:param.requires_grad_(True)return paramsdef init_rnn_state(batch_size, num_hiddens, device):return (torch.zeros((batch_size, num_hiddens), devicedevice), )def rnn(inputs, state, params):# inputs的形状(时间步数量批量大小词表大小)W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q paramsH, stateoutputs []# X的形状(批量大小词表大小)for X in inputs:H torch.tanh(torch.mm(X, W_xh) torch.mm(H, W_hh) b_h)Y torch.mm(H, W_hq) b_qoutputs.append(Y)return torch.cat(outputs, dim0), (H,)class RNNModelScratch: #save从零开始实现的循环神经网络模型def __init__(self, vocab_size, num_hiddens, device,get_params, init_state, forward_fn):self.vocab_size, self.num_hiddens vocab_size, num_hiddensself.params get_params(vocab_size, num_hiddens, device)self.init_state, self.forward_fn init_state, forward_fndef __call__(self, X, state):X F.one_hot(X.T, self.vocab_size).type(torch.float32)return self.forward_fn(X, state, self.params)def begin_state(self, batch_size, device):return self.init_state(batch_size, self.num_hiddens, device)num_hiddens 512
net RNNModelScratch(len(vocab), num_hiddens, d2l.try_gpu(), get_params,init_rnn_state, rnn)
state net.begin_state(X.shape[0], d2l.try_gpu())
Y, new_state net(X.to(d2l.try_gpu()), state)
print(Y.shape, len(new_state), new_state[0].shape)#隐状态形状不变仍为(批量大小隐藏单元数)def predict_ch8(prefix, num_preds, net, vocab, device): #save在prefix后面生成新字符state net.begin_state(batch_size1, devicedevice)outputs [vocab[prefix[0]]]get_input lambda: torch.tensor([outputs[-1]], devicedevice).reshape((1, 1))#get_input()将outputs列表中的最后一个字符的整数标识输入网络for y in prefix[1:]: # 预热期_, state net(get_input(), state)outputs.append(vocab[y])for _ in range(num_preds): # 预测num_preds步y, state net(get_input(), state)outputs.append(int(y.argmax(dim1).reshape(1)))return .join([vocab.idx_to_token[i] for i in outputs])predict_ch8(time traveller , 10, net, vocab, d2l.try_gpu())#由于还没有训练网络会生成荒谬的预测结果8.5.2 Gradient Clipping
对于长度为 T T T的序列在迭代中计算这 T T T个时间步上的梯度将会在反向传播过程中产生长度为 O ( T ) \mathcal{O}(T) O(T)的矩阵乘法链。当 T T T较大时它可能导致数值不稳定例如可能导致梯度爆炸或梯度消失。假定在向量形式的 x \mathbf{x} x中或者在小批量数据的负梯度 g \mathbf{g} g方向上使用 η 0 \eta 0 η0作为学习率时在一次迭代中我们将 x \mathbf{x} x更新为 x − η g \mathbf{x} - \eta \mathbf{g} x−ηg。如果我们进一步假设目标函数 f f f表现良好即函数 f f f在常数 L L L下利普希茨连续Lipschitz continuous也就是说对于任意 x \mathbf{x} x和 y \mathbf{y} y我们有 ∣ f ( x ) − f ( y ) ∣ ≤ L ∥ x − y ∥ . |f(\mathbf{x}) - f(\mathbf{y})| \leq L \|\mathbf{x} - \mathbf{y}\|. ∣f(x)−f(y)∣≤L∥x−y∥.
在这种情况下我们可以安全地假设如果我们通过 η g \eta \mathbf{g} ηg更新参数向量则 ∣ f ( x ) − f ( x − η g ) ∣ ≤ L η ∥ g ∥ , |f(\mathbf{x}) - f(\mathbf{x} - \eta\mathbf{g})| \leq L \eta\|\mathbf{g}\|, ∣f(x)−f(x−ηg)∣≤Lη∥g∥,
这意味着变化不会超过 L η ∥ g ∥ L \eta \|\mathbf{g}\| Lη∥g∥的坏的方面是限制了取得进展的速度好的方面是限制了事情变糟的程度。有时梯度可能很大使得优化算法可能无法收敛我们可以通过降低 η \eta η的学习率来解决这个问题。但是如果很少得到大的梯度一个替代方案是通过将梯度 g \mathbf{g} g投影回给定半径例如 θ \theta θ的球来截断梯度 g \mathbf{g} g如下式 g ← min ( 1 , θ ∥ g ∥ ) g . \mathbf{g} \leftarrow \min\left(1, \frac{\theta}{\|\mathbf{g}\|}\right) \mathbf{g}. g←min(1,∥g∥θ)g.
上式使得梯度范数永远不会超过 θ \theta θ并且更新后的梯度完全与 g \mathbf{g} g的原始方向对齐。它还有一个作用即限制任何给定的小批量数据以及其中任何给定的样本对参数向量的影响这赋予了模型一定程度的稳定性。
def grad_clipping(net, theta): #save截断梯度if isinstance(net, nn.Module):params [p for p in net.parameters() if p.requires_grad]else:params net.paramsnorm torch.sqrt(sum(torch.sum((p.grad ** 2)) for p in params))if norm theta:for param in params:param.grad[:] * theta / norm8.5.3 Training
下面训练模型的方式与3.6有三个不同之处
序列数据的不同采样方法随机采样和顺序分区将导致隐状态初始化的差异。 使用顺序分区时只在每个迭代周期的开始位置初始化隐状态由于下一个小批量数据中的第 i i i个子序列样本与当前第 i i i个子序列样本相邻因此当前小批量数据最后一个样本的隐状态将用于初始化下一个小批量数据第一个样本的隐状态。这样存储在隐状态中的序列的历史信息可以在一个迭代周期内流经相邻的子序列然而在任何一点隐状态的计算都依赖于同一迭代周期中前面所有的小批量数据这使得梯度计算变得复杂。为了降低计算量在处理任何一个小批量数据之前我们先分离梯度使得隐状态的梯度计算总是限制在一个小批量数据的时间步内。当使用随机抽样时需要为每个迭代周期重新初始化隐状态因为每个样本都是在一个随机位置抽样的。在更新模型参数之前截断梯度目的是使得即使训练过程中某个点上发生了梯度爆炸也能保证模型收敛。用困惑度来评价模型确保了不同长度的序列具有可比性。
代码如下
def train_epoch_ch8(net, train_iter, loss, updater, device, use_random_iter):#save训练网络一个迭代周期state, timer None, d2l.Timer()metric d2l.Accumulator(2) # 训练损失之和,词元数量for X, Y in train_iter:if state is None or use_random_iter:# 在第一次迭代或使用随机抽样时初始化statestate net.begin_state(batch_sizeX.shape[0], devicedevice)else:if isinstance(net, nn.Module) and not isinstance(state, tuple):# state对于nn.GRU是个张量state.detach_()else:# state对于nn.LSTM或对于我们从零开始实现的模型是个张量for s in state:s.detach_()y Y.T.reshape(-1)X, y X.to(device), y.to(device)y_hat, state net(X, state)l loss(y_hat, y.long()).mean()if isinstance(updater, torch.optim.Optimizer):updater.zero_grad()l.backward()grad_clipping(net, 1)updater.step()else:l.backward()grad_clipping(net, 1)# 因为已经调用了mean函数updater(batch_size1)metric.add(l * y.numel(), y.numel())#y.numel()返回y中元素的数量return math.exp(metric[0] / metric[1]), metric[1] / timer.stop()def train_ch8(net, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device,use_random_iterFalse):#save训练模型loss nn.CrossEntropyLoss()animator d2l.Animator(xlabelepoch, ylabelperplexity,legend[train], xlim[10, num_epochs])# 初始化if isinstance(net, nn.Module):updater torch.optim.SGD(net.parameters(), lr)else:updater lambda batch_size: d2l.sgd(net.params, lr, batch_size)predict lambda prefix: predict_ch8(prefix, 50, net, vocab, device)# 训练和预测for epoch in range(num_epochs):ppl, speed train_epoch_ch8(net, train_iter, loss, updater, device, use_random_iter)if (epoch 1) % 10 0:print(predict(time traveller))animator.add(epoch 1, [ppl])print(f困惑度 {ppl:.1f}, {speed:.1f} 词元/秒 {str(device)})print(predict(time traveller))print(predict(traveller))num_epochs, lr 500, 1#使用顺序分区
train_ch8(net, train_iter, vocab, lr, num_epochs, d2l.try_gpu())
#使用随机抽样
net RNNModelScratch(len(vocab), num_hiddens, d2l.try_gpu(), get_params,init_rnn_state, rnn)
train_ch8(net, train_iter, vocab, lr, num_epochs, d2l.try_gpu(),use_random_iterTrue)
plt.show()顺序分区训练结果:
随机抽样训练结果:
