[PyTorch][chapter 45][RNN_2]

目录:

  1.     RNN 问题
  2.     RNN 时序链问题
  3.     RNN 词组预测的例子
  4.      RNN简洁实现

 


一  RNN 问题

     RNN 主要有两个问题,梯度弥散和梯度爆炸

    1.1  损失函数

               E=\sum_{t=1}^TE_t

               h_t= tanh(W_{xh}x_t+W_{hh}h_t)

               y_t=W_{ho}h_t

           梯度

              \frac{\partial E_t}{\partial W_{hh}}=\sum_{i=1}^{t}\frac{\partial E_t}{\partial y_{t}}\frac{\partial y_t}{\partial h_{t}}\frac{\partial h_t}{\partial h_{i}}\frac{\partial h_i}{\partial W_{hh}}

              其中:

              \frac{\partial h_t}{\partial h_i}=\prod_{k=i}^{t-1} \frac{\partial h_{k+1}}{\partial h_k}

              \frac{\partial h_{k+1}}{\partial h_{k}}=diag(1-h_k^2)W_{hh}

             则

                \frac{\partial h_k}{\partial h_1}=\prod_{i}^{k} diag(1-h_i^2)W_{hh}

     1.1  梯度爆炸(Gradient Exploding)

                  上面矩阵进行连乘后k,可能会出现里面参数会变得极大

               

                解决方案:

                  梯度剪裁:对W.grad进行约束

              

           

def print_current_grad(model):
    for  w in model.parameters():
        print(w.grad.norm())
    
loss.criterion(output, y)
model.zero_grad()
loss.backward()
print_current_grad(model)
torch.nn.utils.clip_grad_norm_(p,10)
print_current_grad(model)
optimizer.step()

             

     1.2  梯度弥散(Gradient vanishing)

    是由于时序链过程,导致梯度为0,前面的层参数无法更新。

  解决方案 :

          LSTM.


二  RNN 时序链问题

    

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Mon Jul 24 15:12:49 2023

@author: chengxf2
"""

import torch
import torch.nn as  nn
import numpy as np
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as plt  # 导入作图相关的包



'''
    生成训练的数据集
return 
   x: 当前时刻的输入值[batch_size=1, time_step=num_time_steps-1, feature=1]
   y: 当前时刻的标签值[batch_size=1, time_step=num_time_steps-1, feature=1]
'''
def sampleData():
    
    #生成一个[0-3]之间的数据
    start = np.random.randint(3,size=1)[0]
    num_time_steps =20
   
    #时序链长度为num_time_steps
    time_steps= np.linspace(start, start+10,num_time_steps)
    data = np.sin(time_steps)
    data = data.reshape(num_time_steps,1)
    
    #[batch, seq, dimension]
    x= torch.tensor(data[:-1]).float().view(1,num_time_steps-1,1)
    y= torch.tensor(data[1:]).float().view(1, num_time_steps-1,1)
 
    return x,y,time_steps

'''
    网络模型

args:
    input_size – 输入x的特征数量。
    hidden_size – 隐藏层的特征数量。
    num_layers – RNN的层数。
    nonlinearity – 指定非线性函数使用tanh还是relu。默认是tanh。
    bias – 默认是True
    batch_first – 如果True的话,那么输入Tensor的shape应该是[batch_size, time_step, feature],
           输出也是这样。默认是False
           dropout – 如果值非零,那么除了最后一层外,其它层的输出都会套上一个dropout层。

    bidirectional – 如果True,将会变成一个双向RNN,默认为False。
'''
class Net(nn.Module):
    
    def __init__(self,input_dim = 1, hidden_dim =10,  out_dim = 1):
        
        super(Net, self).__init__()
        self.rnn= nn.RNN(input_size = input_dim, 
                        hidden_size = hidden_dim,
                        num_layers = 1,
                        batch_first = True)
        
        self.linear= nn.Linear(in_features= hidden_dim, out_features=out_dim)
      
    #前向传播函数
    def forward(self,x,hidden_prev):
        # 给定一个h_state初始状态,(batch_size=1,layer=1,hidden_dim=10)
        # 给定一个序列x.shape:[batch_size, time_step, feature]
        hidden_dim =10
        
        #print("\n x.shape",x.shape)
        out,hidden_prev= self.rnn(x,hidden_prev)
        out = out.view(-1,hidden_dim) #[1,seq,h]=>[1*seq,h]
        out = self.linear(out)#[seq,h]=>[seq,1]
        
        out = out.unsqueeze(dim=0) #[seq,1] 指定的维度上面添加一个维度[batch=1,seq,1]
        
        return out, hidden_prev
    
    


def main():
    
    
    model = Net()
    criterion = nn.MSELoss()
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(),lr=1e-3)
    
    
    hidden_dim =10
    #初始值
    hidden_prv = torch.zeros(1,1,hidden_dim)
    
    for iter in range(5000):
        
        x,y,time_steps =sampleData() #[batch=1,seq=99,dim=1]
        
        output, hidden_prev =model(x,hidden_prv)
        
        hidden_prev = hidden_prev.detach()
        
        
        loss = criterion(output, y)
        
        model.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        
        
        if iter %100 ==0:
            
            print("Iter:{} loss{}".format(iter, loss.item()))
            # 对最后一次的结果作图查看网络的预测效果
            
    
    plt.plot(time_steps[0:-1], y.flatten(), 'r-')
    plt.plot(time_steps[0:-1], output.data.numpy().flatten(), 'b-')
main()

三  RNN 词组预测的例子

     这是参考李沐写得一个实现nn.RNN功能的例子

,一般很少用,都是直接用nn.RNN.

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Wed Jul 26 14:17:49 2023

@author: chengxf2
"""

import math
import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
import numpy
import d2lzh_pytorch as d2l





#生成随机变量
def normal(shape,device):
    
    return torch.randn(size=shape, device=device)*0.01

#模型需要更新的权重系数
def get_params(vocab_size=27, num_hiddens=10, device='cuda:0'):
    
     num_inputs = num_outputs = vocab_size
     
     W_xh = normal((num_inputs,num_hiddens),device)
     W_hh = normal((num_hiddens,num_hiddens),device)
     b_xh = torch.zeros(num_hiddens,device=device)
     b_hh = torch.zeros(num_hiddens,device=device)
     
     W_hq = normal((num_hiddens,num_outputs),device)
     b_q = torch.zeros(num_outputs, device= device)

     params = [W_xh,W_hh, b_xh,b_hh, W_hq,b_q]
     
     for param in params:
         
         param.requires_grad_(True)
     
     return params
          
#初始的隐藏值 hidden ,tuple
def init_rnn_state(batch_size, hidden_size, device):
    
    h_init= torch.zeros((batch_size,hidden_size),device=device)
    return  (h_init,)


#RNN 函数定义了如何在时间序列上更新隐藏状态和输出
def rnn(X, h_init, params):
    
    W_xh,W_hh, b_xh,b_hh, W_hq,b_q = params
    
    hidden, = h_init
    
    outputs =[]
    for x_t in X:
        
        z_t = torch.mm(x_t, W_xh)+b_xh+ torch.mm(x_t,W_hh)+b_hh
        hidden =torch.tanh(z_t)
        
        out = torch.mm(hidden,W_hq)+b_q
        outputs.append(out)
        
    #[batch_size*T, dimension]
    return torch.cat(outputs, dim=0),(hidden,)

#根据给定的词,预测后面num_preds 个词
def predict_ch8(prefix, num_preds, net, vocab, device):

     #生成初始状态
     state = net.begin_state(batch_size=1, device=device)
     
     #把第一个词拿出来
     outputs = [vocab[prefix[0]]]
     
     
     get_input = lambda: torch.tensor([outputs[-1]],device=device,(1,1))
     
     for y in prefix[1:]:
         
         _,state = net(get_input(), state)
         outputs.append(vocab[y])
         
    for _ in range(num_preds):
        
        y, state = net(get_input(), state)
        
        outputs, (int(y.argmax(dim=1).reshape(1)))
    
    return ''.join([vocab.idex_to_toke[i] for i in output])


#梯度剪裁

def grad_clipping(net, theta):
    
    if isinstance(net, nn.Module):
        
        params = [p for p in net.parameters() if p.requires_grad_]
    else:
        params = net.params
        
    
    norm = torch.sqrt(sum(torch.sum(
        (p.grad**2)) for p in params)
        
    if norm > theta:
        
        for param in params:
            
            param.grad[:]*=theta/norm
        
        
     
class RNNModel:
    
      #从零开始实现RNN 网络模型#
      
      def __init__(self, vocab_size, hidden_size, device, get_params, init_rnn_state,forward_fn):
          forward_fn
          self.vocab_size = vocab_size, self.num_hiddens = hidden_size
          self.params = get_params(vocab_size, hidden_size, device)
          self.init_state = init_rnn_state(batch_size, hidden_size, device)
          self.forwad_fn = forward_fn
          
      #X.shape [batch_size,num_steps] 
      def __call__(self, X, state):
          
          X = F.one_hot(X.T, self.vocab_size).type(torch.float32)
          
          #[num_steps, batch_size]
          return self.forwad_fn(X, state, self.params)
      
      
      def begin_state(self, batch_size, device):
          
          return self.init_state(batch_size, self.num_hiddens, device)
        
        
# 训练模型

def train_epoch_ch8(net, train_iter, loss, updater, device,)

    state, timer = None, d21.Timer()

    metric = d21.Accumulator(2)

    for X,Y in train_iter:
        
         if state is None or use_random_iter:
             state = net.beign_state(bacth_size=X.shape[0])
        
         else
              if isinstance(net, nn.Module) and not isinstance(o, t)
                  state.detach_()
              else
                  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)
            updater(batch_size=1)
        
        metric.add(1&y.numel(),y.numel())
    return math.exp(metric[0]/metric[1]))
        

def train(net, train_iter,vocab, lr,num_epochs, device, use_random_iter=False):
    
    
    loss = nn.CrossEntropyLoss()
    
    animator = d21.animator(xlabel='epoch',ylabel='preplexity',
                            legend=['train'],xlim=[10,num_epochs])
    
    
    if isinstance(net, nn.Module):
        
        updater = torch.optim.SGD(net.parameters(),lr)
    else:
        
        updater = lambda batch_size: d21.sgd(net.parameters,batch_size,lr)
        
    predict = lambda prefix: predict_ch8(prefix, num_preds=50, net, vocab, device)
    
    for epoch in range(num_epochs):
        
        ppl, spped = train_epoch_ch8(net, train_iter, updater(),use_random_iter())
        
        if (epoch+1)%10 ==0:
            
            print(predict('time traverller'))
            animator.add(epoch+1, [ppl])
            
    print(f'困惑度{ppl:lf},{speed:1f} 标记/秒')
    print(predict('time traveller'))
    print(predict('traveller'))
        
                  
               
        
      
        
def main():

   num_hiddens =512
   num_epochs, ,lr = 500,1
   
   vocab_size = len(vocab)
   #[批量大小,时间步数]
   batch_size, num_steps = 32, 10
   train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
   F.one_hot(torch.tensor([0,2]), len(vocab))
   X= torch.arange(10).reshape((2,5))
   Y = F.one_hot(X.T,28).shape #[step, batch_num]

   model = RNNModel(vocab_size, num_hiddens, dl2.try_gpu(), get_params, init_rnn_state, rnn)            
 
   
   train_ch8(model, train_iter, vocab,lr,num_epochs,dl2.try_gpu())
   
   
   
    
if __name__ == "__main__":
    
    main()

四  RNN简洁实现

     

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri Jul 28 10:11:33 2023

@author: chengxf2
"""

import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F




class SimpleRNN(nn.Module):
    
      def __init__(self,batch_size, input_size, hidden_size,out_size):
          
          super(SimpleRNN,self).__init__()
          
          self.batch_size,self.num_hiddens = batch_size,hidden_size
          self.rnn_layer = nn.RNN(input_size,hidden_size)
          self.linear = nn.Linear(hidden_size, out_size)
          
      
      def  forward(self, X,state):
          '''

          Parameters
          ----------
           X : [seq,batch, feature]
          state : [layer, batch, feature]
          -------
          #output:(layer, batch_size, hidden_size)
          state_new : []
          '''
          
          hidden, hidden_new = self.rnn_layer(X, state)
          
          hidden = hidden.view(-1, hidden.shape[-1])
          output = self.linear(hidden)
          
          
          
          return output ,hidden
    
      def init_hidden_state(self):
           '''
           初始化隐藏状态
          '''
           state = torch.zeros((1,self.batch_size, self.num_hiddens))
           return state
       
        
def main():
    seq_len = 3 #时序链长度
    batch_size =5 #批量大小
    input_size = 27
    hidden_size = 10
    out_size = 9
    
    X = torch.rand(size=(seq_len,batch_size,input_size))
    model = SimpleRNN(batch_size,input_size, hidden_size,out_size)
    
    init_state = model.init_hidden_state()
    output, hidden = model.forward(X, init_state)
    
    print("\n 输出值:",output.shape)
    print("\n 时刻的隐藏状态")
    print(hidden.shape)
    
if __name__ == "__main__":
    
    main()
       
        

pytorch入门10--循环神经网络(RNN)_rnn代码pytorch_微扬嘴角的博客-CSDN博客

【PyTorch】深度学习实践之 RNN基础篇——实现RNN_pytorch实现rnn_zoetu的博客-CSDN博客

RNN 的基本原理+pytorch代码_rnn代码_黄某某很聪明的博客-CSDN博客

55 循环神经网络 RNN 的实现【动手学深度学习v2】_哔哩哔哩_bilibili

《动手学深度学习》环境搭建全程详细教程 window用户_https://zh.d21.ai/d21-zh-1.1.zip_溶~月的博客-CSDN博客

ModuleNotFoundError: No module named ‘d2l’_卡拉比丘流形的博客-CSDN博客

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mfbz.cn/a/54576.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系我们进行投诉反馈qq邮箱809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

uniapp使用getStorage对属性赋值无效

1正常set(get)storage都是可以正常使用的 2.但对属性进行赋值的时候,却发现this.name并没有发生变化 3. 在里面打印this发现,在set*getStorage中并不能拿到this. 4.优化代码 这样就可以给this.name成功赋值

重学C++系列之STL库

一、什么是STL库 STL是“Standard Template Library”的缩写,中文翻译为“标准模板库”。CSTL是一套功能强大的C模板类,提供了通用的模板类和函数,这些模板类和函数可以实现多种流行和常用的算法和数据结构,如字符串操作、链表、队…

如何为新一代可持续应用设计电机编码器

从定速电机转向提供位置和电流反馈的变速电机,不仅可以实现工艺改进,还能节省大量能源。本文介绍了电机编码器(位置和速度)、器件类型和技术以及应用案例。此外还解答了一些关键问题,例如对特定系统最重要的编码器性能…

Prometheus 的应用服务发现及黑河部署等

目录 promtool检查语法 部署Prometheus Server 检查语法是否规范 部署node-exporter 部署Consul 直接请求API进行服务注册 使用register命令注册服务(建议使用) 单个和多个注册,多个后面多加了s 在Prometheus上做consul的服务发现 部署…

ChatGPT漫谈(三)

AIGC(AI Generated Content)指的是使用人工智能技术生成的内容,包括文字、图像、视频等多种形式。通过机器学习、深度学习等技术,AI系统可以学习和模仿人类的创作风格和思维模式,自动生成大量高质量的内容。AIGC被视为继用户生成内容(UGC)和专业生成内容(PGC)之后的下…

【无标题】JSP--Java的服务器页面

jsp是什么? jsp的全称是Java server pages,翻译过来就是java的服务器页面。 jsp有什么作用? jsp的主要作用是代替Servlet程序回传html页面的数据,因为Servlet程序回传html页面数据是一件非常繁琐的事情,开发成本和维护成本都非常高…

StarRocks Friends 广州站精彩回顾

上周六,StarRocks & Friends 活动在羊城广州成功举行,社区的小伙伴齐聚一堂,共同探讨了 StarRocks 在业界的应用实践和湖仓一体等热门话题。 本文总结了技术交流活动的关键内容和视频资料,感谢社区每一位小伙伴的支持和参与&…

《TCP IP网络编程》第十四章

第 14 章 多播与广播 14.1 多播 多播(Multicast)方式的数据传输是基于 UDP 完成的。因此 ,与 UDP 服务器端/客户端的实现方式非常接近。区别在于,UDP 数据传输以单一目标进行,而多播数据同时传递到加入(注…

【Uniapp 的APP热更新】

Uniapp 的APP热更新功能依赖于其打包工具 HBuilder,具体步骤如下: 1. 在 HBuilder 中构建并打包出应用程序 具体步骤: 1.点击发行,点击制作wgt包 2.根据需求修改文件储存路径和其他配置,点击确定 3.等待打包完成&a…

Day10-作业(SpringBootWeb案例)

作业1:完成课上预留给大家自己完成的功能 【部门管理的修改功能】 注意: 部门管理的修改功能,需要开发两个接口: 先开发根据ID查询部门信息的接口,该接口用户查询数据并展示 。(一定一定先做这个功能) 再开发根据ID…

iOS开发-格式化时间显示刚刚几分钟前几小时前等

iOS开发-格式化时间显示刚刚几分钟前几小时前等 在开发中经常遇到从服务端获取的时间戳,需要转换显示刚刚、几分钟前、几小时前、几天前、年月日等格式。 主要用到了NSCalendar、NSDateComponents这两个类 NSString *result nil;NSCalendarUnit components (NSC…

MTK system_server 卡死导致手机重启案例分析

和你一起终身学习,这里是程序员Android 经典好文推荐,通过阅读本文,您将收获以下知识点: 一、MTK AEE Log分析工具二、AEE Log分析流程三、system_server 卡死案例分析及解决 本文主要针对 Exception Type: system_server_watchdog , system_…

数据结构-链表结构-双向链表

双向链表 双向链表的定义 双向链表也叫双链表,与单向链表不同的是,每一个节点有三个区域组成:两个指针域,一个数据域 前一个指针域:存储前驱节点的内存地址后一个指针域:存储后继节点的内存地址数据域&a…

Beyond Compare和git merge、git rebase

文章目录 各个分支线将dev1 rebase进 dev2将dev1 merge进dev2 各个分支线 将dev1 rebase进 dev2 gitTest (dev2)]$ git rebase dev1local: 是rebase的分支dev1remote:是当前的分支dev2base:两个分支的最近一个父节点 将dev1 merge进dev2 gitTest (dev…

Qt应用开发(基础篇)——滑块类 Slider、ScrollBar、Dial

一、前言 滑块类QScrollBar、QSlider和QDial继承于QAbstractSlider,父类主要拥有最大值、最小值、步长、当前值、滑块坐标等信息,滑动的时候触发包含值数据变化、滑块按下、滑块释放等信号。键盘包括左/上和右/下箭头键通过定义的singleStep改变当前值&a…

物联网|可变参数的使用技巧|不一样的点灯实验|访问外设的寄存器|操作寄存器实现点灯|硬件编程的基本流程-学习笔记(11)

文章目录 可变参数的使用技巧第三阶段-初级实验Lesson5:不一样的点灯实验---学习I/O的输出 ☆点灯的电路图分析1 一起看看点灯的电路图Tip1:另一种点灯的电路Tip1:如何访问外设的寄存器2 STM32F407中操作GPIO的方法 通过直接操作寄存器实现点灯实验Tip1:硬件编程的基本流程 2代…

SpringBoot(九)jwt + 拦截器实现token验证

前面两篇文章的过滤器和拦截器,我们都提到过可以做诸如权限验证的事情。http/https是无状态的协议,当用户访问一个后端接口时,如何判断该用户有没有权限?当然,可以使用账号密码去验证。但是,如果使用账号和…

统信UOS安装mysql数据库(mariadb)-统信UOS安装JDK-统信UOS安装nginx(附安装包)

统信UOS离线全套安装教程(手把手教程) 银河麒麟的各种离线全套安装教程: https://blog.csdn.net/ACCPluzhiqi/article/details/131988147 1.统信UOS桌面系统安装mysql(mariadb) 2.统信UOS桌面系统安装JDK 3.统信UOS桌…

网络出口技术中的单一出口网络结构,你会用吗?

我们在设计一个园区网络的时候,园区网络的出口需要和运营商的网络进行对接,从而提供internet服务。 在和运营商网络对接的时候,一般采用如下3终方式: 单一出口网络结构 1、网络拓扑 终端用户接入到交换机,交换机直…

PostgreSQL-Centos7源码安装

卸载服务器上的pg13 本来是想删除原来的postgis重新源码安装就行,但是yum安装的PostgreSQL不能直接使用,会提示以下问题: 之前服务是用yum安装的,现在需要删除 -- 删除数据的postgis插件 drop extension postgis; drop extension postgis cascade;删除相关安装包 # 查询…