人工智能NLP项目_循环神经网络（3）

循环神经网络和自然语言处理介绍

目标

1. 知道token和tokenization

2. 知道N-gram的概念和作用

3. 知道文本向量化表示的方法

1. 文本的tokenization

1.1 概念和工具的介绍

tokenization就是通常所说的分词，分出的每一个词语我们把它称为token。

常见的分词工具很多，比如：

• jieba分词：https://github.com/fxsjy/jieba

• 清华大学的分词工具THULAC：https://github.com/thunlp/THULAC-Python

1.2 中英文分词的方法

• 把句子转化为词语

  • 比如：我爱深度学习 可以分为[我，爱， 深度学习]

• 把句子转化为单个字

  • 比如：我爱深度学习的token是[我，爱，深，度，学，习]

2. N-garm表示方法

前面我们说，句子可以用但个字，词来表示，但是有的时候，我们可以用2个、3个或者多个词来表示。

N-gram一组一组的词语，其中的N表示能够被一起使用的词的数量

例如：

In [59]: text = "深度学习（英语：deep learning）是机器学习的分支，是一种以人工神经网络为架构，对数据进行表征学习的算法。"

In [60]: cuted = jieba.lcut(text)

In [61]: [cuted[i:i+2] for i in range(len(cuted)-1)] #N-gram 中n=2时
Out[61]:[['深度', '学习'],
 ['学习', '（'],
 ['（', '英语'],
 ['英语', '：'],
 ['：', 'deep'],
 ['deep', ' '],
 [' ', 'learning'],
 ['learning', '）'],
 ['）', '是'],
 ['是', '机器'],
 ['机器', '学习'],
 ['学习', '的'],
 ['的', '分支'],
 ['分支', '，'],
 ['，', '是'],
 ['是', '一种'],
 ['一种', '以'],
 ['以', '人工神经网络'],
 ['人工神经网络', '为'],
 ['为', '架构'],
 ['架构', '，'],
 ['，', '对'],
 ['对', '数据'],
 ['数据', '进行'],
 ['进行', '表征'],
 ['表征', '学习'],
 ['学习', '的'],
 ['的', '算法'],
 ['算法', '。']]

在传统的机器学习中，使用N-gram方法往往能够取得非常好的效果，但是在深度学习比如RNN中会自带N-gram的效果。

3. 向量化

因为文本不能够直接被模型计算，所以需要将其转化为向量

把文本转化为向量有两种方法：

1. 转化为one-hot编码

2. 转化为word embedding

3.1 one-hot 编码

在one-hot编码中，每一个token使用一个长度为N的向量表示，N表示词典的数量

即：把待处理的文档进行分词或者是N-gram处理，然后进行去重得到词典，假设我们有一个文档：深度学习，那么进行one-hot处理后的结果如下：

token	one-hot encoding
深	1000
度	0100
学	0010
习	0001

3.2 word embedding

word embedding是深度学习中表示文本常用的一种方法。和one-hot编码不同，word embedding使用了浮点型的稠密矩阵来表示token。根据词典的大小，我们的向量通常使用不同的维度，例如100,256,300等。其中向量中的每一个值是一个参数，其初始值是随机生成的，之后会在训练的过程中进行学习而获得。

如果我们文本中有20000个词语，如果使用one-hot编码，那么我们会有20000*20000的矩阵，其中大多数的位置都为0，但是如果我们使用word embedding来表示的话，只需要20000* 维度，比如20000*300

形象的表示就是：

token	num	vector
词1	0	[w11,w12,w13...w1N] ,其中N表示维度（dimension）
词2	1	[w21,w22,w23...w2N]
词3	2	[w31,w23,w33...w3N]
...	….	...
词m	m	[wm1,wm2,wm3...wmN],其中m表示词典的大小

我们会把所有的文本转化为向量，把句子用向量来表示

但是在这中间，我们会先把token使用数字来表示，再把数字使用向量来表示。

即：token---> num ---->vector

3.3 word embedding API

torch.nn.Embedding(num_embeddings,embedding_dim)

参数介绍：

1. num_embeddings：词典的大小

2. embedding_dim：embedding的维度

使用方法：

embedding = nn.Embedding(vocab_size,300) #实例化
input_embeded = embedding(input)         #进行embedding的操作

3.4 数据的形状变化

思考：每个batch中的每个句子有10个词语，经过形状为[20，4]的Word emebedding之后，原来的句子会变成什么形状？

每个词语用长度为4的向量表示，所以，最终句子会变为[batch_size,10,4]的形状。

增加了一个维度，这个维度是embedding的dim

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文本情感分类

目标

1. 知道文本处理的基本方法

2. 能够使用数据实现情感分类的

1. 案例介绍

为了对前面的word embedding这种常用的文本向量化的方法进行巩固，这里我们会完成一个文本情感分类的案例

现在我们有一个经典的数据集IMDB数据集，地址：http://ai.stanford.edu/~amaas/data/sentiment/，这是一份包含了5万条流行电影的评论数据，其中训练集25000条，测试集25000条。数据格式如下：

下图左边为名称，其中名称包含两部分，分别是序号和情感评分，（1-4为neg，5-10为pos），右边为评论内容

根据上述的样本，需要使用pytorch完成模型，实现对评论情感进行预测

2. 思路分析

首先可以把上述问题定义为分类问题，情感评分分为1-10，10个类别（也可以理解为回归问题，这里当做分类问题考虑）。那么根据之前的经验，我们的大致流程如下：

1. 准备数据集

2. 构建模型

3. 模型训练

4. 模型评估

知道思路之后，那么我们一步步来完成上述步骤

3. 准备数据集

准备数据集和之前的方法一样，实例化dataset，准备dataloader，最终我们的数据可以处理成如下格式：

其中有两点需要注意：

1. 如何完成基础打Dataset的构建和Dataloader的准备

2. 每个batch中文本的长度不一致的问题如何解决

3. 每个batch中的文本如何转化为数字序列

3.1 基础Dataset的准备

import torch
from torch.utils.data import DataLoader,Dataset
import os
import re

data_base_path = r"data\aclImdb"

#1. 定义tokenize的方法
def tokenize(text):
    # fileters = '!"#$%&()*+,-./:;<=>?@[\\]^_`{|}~\t\n'
    fileters = ['!','"','#','$','%','&','\(','\)','\*','\+',',','-','\.','/',':',';','<','=','>','\?','@'
        ,'\[','\\','\]','^','_','`','\{','\|','\}','~','\t','\n','\x97','\x96','”','“',]
    text = re.sub("<.*?>"," ",text,flags=re.S)
    text = re.sub("|".join(fileters)," ",text,flags=re.S)
    return [i.strip() for i in text.split()]

#2. 准备dataset
class ImdbDataset(Dataset):
    def __init__(self,mode):
        super(ImdbDataset,self).__init__()
        if mode=="train":
            text_path = [os.path.join(data_base_path,i)  for i in ["train/neg","train/pos"]]
        else:
            text_path =  [os.path.join(data_base_path,i)  for i in ["test/neg","test/pos"]]

        self.total_file_path_list = []
        for i in text_path:
            self.total_file_path_list.extend([os.path.join(i,j) for j in os.listdir(i)])


    def __getitem__(self, idx):
        cur_path = self.total_file_path_list[idx]

        cur_filename = os.path.basename(cur_path)
        label = int(cur_filename.split("_")[-1].split(".")[0]) -1 #处理标题，获取label，转化为从[0-9]
        text = tokenize(open(cur_path).read().strip()) #直接按照空格进行分词
        return label,text

    def __len__(self):
        return len(self.total_file_path_list)
    
 # 2. 实例化，准备dataloader
dataset = ImdbDataset(mode="train")
dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=2,shuffle=True)

#3. 观察数据输出结果
for idx,(label,text) in enumerate(dataloader):
    print("idx：",idx)
    print("table:",label)
    print("text:",text)
    break

输出如下：

idx： 0
table: tensor([3, 1])
text: [('I', 'Want'), ('thought', 'a'), ('this', 'great'), ('was', 'recipe'), ('a', 'for'), ('great', 'failure'), ('idea', 'Take'), ('but', 'a'), ('boy', 's'), ('was', 'y'), ('it', 'plot'), ('poorly', 'add'), ('executed', 'in'), ('We', 'some'), ('do', 'weak'), ('get', 'completely'), ('a', 'undeveloped'), ('broad', 'characters'), ('sense', 'and'), ('of', 'than'), ('how', 'throw'), ('complex', 'in'), ('and', 'the'), ('challenging', 'worst'), ('the', 'special'), ('backstage', 'effects'), ('operations', 'a'), ('of', 'horror'), ('a', 'movie'), ('show', 'has'), ('are', 'known'), ('but', 'Let'), ('virtually', 'stew'), ('no', 'for'), ...('show', 'somehow'), ('rather', 'destroy'), ('than', 'every'), ('anything', 'copy'), ('worth', 'of'), ('watching', 'this'), ('for', 'film'), ('its', 'so'), ('own', 'it'), ('merit', 'will')]

明显，其中的text内容出现对应，和想象的不太相似，出现问题的原因在于Dataloader中的参数collate_fn

collate_fn的默认值为torch自定义的default_collate,collate_fn的作用就是对每个batch进行处理，而默认的default_collate处理出错。

解决问题的思路：

手段1：考虑先把数据转化为数字序列，观察其结果是否符合要求，之前使用DataLoader并未出现类似错误

手段2：考虑自定义一个collate_fn，观察结果

这里使用方式2，自定义一个collate_fn,然后观察结果：

def collate_fn(batch):
	#batch是list，其中是一个一个元组，每个元组是dataset中__getitem__的结果
    batch = list(zip(*batch))
    labes = torch.tensor(batch[0],dtype=torch.int32)
    texts = batch[1]
    del batch
    return labes,texts
dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=2,shuffle=True,collate_fn=collate_fn)

#此时输出正常
for idx,(label,text) in enumerate(dataloader):
    print("idx：",idx)
    print("table:",label)
    print("text:",text)
    break

3.2 文本序列化

再介绍word embedding的时候，我们说过，不会直接把文本转化为向量，而是先转化为数字，再把数字转化为向量，那么这个过程该如何实现呢？

这里我们可以考虑把文本中的每个词语和其对应的数字，使用字典保存，同时实现方法把句子通过字典映射为包含数字的列表。

实现文本序列化之前，考虑以下几点:

1. 如何使用字典把词语和数字进行对应

2. 不同的词语出现的次数不尽相同，是否需要对高频或者低频词语进行过滤，以及总的词语数量是否需要进行限制

3. 得到词典之后，如何把句子转化为数字序列，如何把数字序列转化为句子

4. 不同句子长度不相同，每个batch的句子如何构造成相同的长度（可以对短句子进行填充，填充特殊字符）

5. 对于新出现的词语在词典中没有出现怎么办（可以使用特殊字符代理）

思路分析：

1. 对所有句子进行分词

2. 词语存入字典，根据次数对词语进行过滤，并统计次数

3. 实现文本转数字序列的方法

4. 实现数字序列转文本方法

import numpy as np

class Word2Sequence():
    UNK_TAG = "UNK"
    PAD_TAG = "PAD"

    UNK = 0
    PAD = 1

    def __init__(self):
        self.dict = {
            self.UNK_TAG :self.UNK,
            self.PAD_TAG :self.PAD
        }
        self.fited = False

    def to_index(self,word):
        """word -> index"""
        assert self.fited == True,"必须先进行fit操作"
        return self.dict.get(word,self.UNK)

    def to_word(self,index):
        """index -> word"""
        assert self.fited , "必须先进行fit操作"
        if index in self.inversed_dict:
            return self.inversed_dict[index]
        return self.UNK_TAG

    def __len__(self):
        return self(self.dict)

    def fit(self, sentences, min_count=1, max_count=None, max_feature=None):
        """
        :param sentences:[[word1,word2,word3],[word1,word3,wordn..],...]
        :param min_count: 最小出现的次数
        :param max_count: 最大出现的次数
        :param max_feature: 总词语的最大数量
        :return:
        """
        count = {}
        for sentence in sentences:
            for a in sentence:
                if a not in count:
                    count[a] = 0
                count[a] += 1

        # 比最小的数量大和比最大的数量小的需要
        if min_count is not None:
            count = {k: v for k, v in count.items() if v >= min_count}
        if max_count is not None:
            count = {k: v for k, v in count.items() if v <= max_count}

        # 限制最大的数量
        if isinstance(max_feature, int):
            count = sorted(list(count.items()), key=lambda x: x[1])
            if max_feature is not None and len(count) > max_feature:
                count = count[-int(max_feature):]
            for w, _ in count:
                self.dict[w] = len(self.dict)
        else:
            for w in sorted(count.keys()):
                self.dict[w] = len(self.dict)

        self.fited = True
        # 准备一个index->word的字典
        self.inversed_dict = dict(zip(self.dict.values(), self.dict.keys()))

    def transform(self, sentence,max_len=None):
        """
        实现吧句子转化为数组（向量）
        :param sentence:
        :param max_len:
        :return:
        """
        assert self.fited, "必须先进行fit操作"
        if max_len is not None:
            r = [self.PAD]*max_len
        else:
            r = [self.PAD]*len(sentence)
        if max_len is not None and len(sentence)>max_len:
            sentence=sentence[:max_len]
        for index,word in enumerate(sentence):
            r[index] = self.to_index(word)
        return np.array(r,dtype=np.int64)

    def inverse_transform(self,indices):
        """
        实现从数组 转化为文字
        :param indices: [1,2,3....]
        :return:[word1,word2.....]
        """
        sentence = []
        for i in indices:
            word = self.to_word(i)
            sentence.append(word)
        return sentence

if __name__ == '__main__':
    w2s = Word2Sequence()
    w2s.fit([
        ["你", "好", "么"],
        ["你", "好", "哦"]])

    print(w2s.dict)
    print(w2s.fited)
    print(w2s.transform(["你","好","嘛"]))
    print(w2s.transform(["你好嘛"],max_len=10))

完成了wordsequence之后，接下来就是保存现有样本中的数据字典，方便后续的使用。

实现对IMDB数据的处理和保存

#1. 对IMDB的数据记性fit操作
def fit_save_word_sequence():
    from wordSequence import Word2Sequence

    ws = Word2Sequence()
    train_path = [os.path.join(data_base_path,i)  for i in ["train/neg","train/pos"]]
    total_file_path_list = []
    for i in train_path:
        total_file_path_list.extend([os.path.join(i, j) for j in os.listdir(i)])
    for cur_path in tqdm(total_file_path_list,ascii=True,desc="fitting"):
        ws.fit(tokenize(open(cur_path).read().strip()))
    ws.build_vocab()
    # 对wordSequesnce进行保存
    pickle.dump(ws,open("./model/ws.pkl","wb"))

#2. 在dataset中使用wordsequence
ws = pickle.load(open("./model/ws.pkl","rb"))

def collate_fn(batch):
    MAX_LEN = 500 
    #MAX_LEN = max([len(i) for i in texts]) #取当前batch的最大值作为batch的最大长度

    batch = list(zip(*batch))
    labes = torch.tensor(batch[0],dtype=torch.int)

    texts = batch[1]
    #获取每个文本的长度
    lengths = [len(i) if len(i)<MAX_LEN else MAX_LEN for i in texts]
    texts = torch.tensor([ws.transform(i, MAX_LEN) for i in texts])
    del batch
    return labes,texts,lengths

#3. 获取输出
dataset = ImdbDataset(ws,mode="train")
    dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=20,shuffle=True,collate_fn=collate_fn)
    for idx,(label,text,length) in enumerate(dataloader):
        print("idx：",idx)
        print("table:",label)
        print("text:",text)
        print("length:",length)
        break

输出如下

idx： 0
table: tensor([ 7,  4,  3,  8,  1, 10,  7, 10,  7,  2,  1,  8,  1,  2,  2,  4,  7, 10,
         1,  4], dtype=torch.int32)
text: tensor([[ 50983,  77480,  82366,  ...,      1,      1,      1],
        [ 54702,  57262, 102035,  ...,  80474,  56457,  63180],
        [ 26991,  57693,  88450,  ...,      1,      1,      1],
        ...,
        [ 51138,  73263,  80428,  ...,      1,      1,      1],
        [  7022,  78114,  83498,  ...,      1,      1,      1],
        [  5353, 101803,  99148,  ...,      1,      1,      1]])
length: [296, 500, 221, 132, 74, 407, 500, 130, 54, 217, 80, 322, 72, 156, 94, 270, 317, 117, 200, 379]

思考：前面我们自定义了MAX_LEN作为句子的最大长度，如果我们需要把每个batch中的最长的句子长度作为当前batch的最大长度，该如何实现？

4. 构建模型

这里我们只练习使用word embedding，所以模型只有一层，即：

1. 数据经过word embedding

2. 数据通过全连接层返回结果，计算log_softmax

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch import optim
from build_dataset import get_dataloader,ws,MAX_LEN

class IMDBModel(nn.Module):
    def __init__(self,max_len):
        super(IMDBModel,self).__init__()
        self.embedding = nn.Embedding(len(ws),300,padding_idx=ws.PAD) #[N,300]
        self.fc = nn.Linear(max_len*300,10)  #[max_len*300,10]

    def forward(self, x):
        embed = self.embedding(x) #[batch_size,max_len,300]
        embed = embed.view(x.size(0),-1)
        out = self.fc(embed)
        return F.log_softmax(out,dim=-1)

5. 模型的训练和评估

训练流程和之前相同

1. 实例化模型，损失函数，优化器

2. 遍历dataset_loader，梯度置为0，进行向前计算

3. 计算损失，反向传播优化损失，更新参数

train_batch_size = 128
test_batch_size = 1000
imdb_model = IMDBModel(MAX_LEN)
optimizer = optim.Adam(imdb_model.parameters())
criterion = nn.CrossEntropyLoss()

def train(epoch):
    mode = True
    imdb_model.train(mode)
    train_dataloader =get_dataloader(mode,train_batch_size)
    for idx,(target,input,input_lenght) in enumerate(train_dataloader):
        optimizer.zero_grad()
        output = imdb_model(input)
        loss = F.nll_loss(output,target) #traget需要是[0,9]，不能是[1-10]
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if idx %10 == 0:
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, idx * len(input), len(train_dataloader.dataset),
                       100. * idx / len(train_dataloader), loss.item()))

            torch.save(imdb_model.state_dict(), "model/mnist_net.pkl")
            torch.save(optimizer.state_dict(), 'model/mnist_optimizer.pkl')
            
 def test():
    test_loss = 0
    correct = 0
    mode = False
    imdb_model.eval()
    test_dataloader = get_dataloader(mode, test_batch_size)
    with torch.no_grad():
        for target, input, input_lenght in test_dataloader:
            output = imdb_model(input)
            test_loss  += F.nll_loss(output, target,reduction="sum")
            pred = torch.max(output,dim=-1,keepdim=False)[-1]
            correct = pred.eq(target.data).sum()
        test_loss = test_loss/len(test_dataloader.dataset)
        print('\nTest set: Avg. loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.2f}%)\n'.format(
            test_loss, correct, len(test_dataloader.dataset),
            100. * correct / len(test_dataloader.dataset)))

if __name__ == '__main__':
    test()
    for i in range(3):
        train(i)
        test()

这里我们仅仅使用了一层全连接层，其分类效果不会很好，这里重点是理解常见的模型流程和word embedding的使用方法

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循环神经网络

目标

1. 能够说出循环神经网络的概念和作用

2. 能够说出循环神经网络的类型和应用场景

3. 能够说出LSTM的作用和原理

4. 能够说出GRU的作用和原理

1. 循环神经网络的介绍

为什么有了神经网络还需要有循环神经网络？

在普通的神经网络中，信息的传递是单向的，这种限制虽然使得网络变得更容易学习，但在一定程度上也减弱了神经网络模型的能力。特别是在很多现实任务中，网络的输出不仅和当前时刻的输入相关，也和其过去一段时间的输出相关。此外，普通网络难以处理时序数据，比如视频、语音、文本等，时序数据的长度一般是不固定的，而前馈神经网络要求输入和输出的维数都是固定的，不能任意改变。因此，当处理这一类和时序相关的问题时，就需要一种能力更强的模型。

循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）是一类具有短期记忆能力的神经网络。在循环神经网络中，神经元不但可以接受其它神经元的信息，也可以接受自身的信息，形成具有环路的网络结构。换句话说：神经元的输出可以在下一个时间步直接作用到自身（

入）

通过简化图，我们看到RNN比传统的神经网络多了一个循环圈，这个循环表示的就是在下一个时间步（Time Step）上会返回作为输入的一部分，我们把RNN在时间点上展开，得到的图形如下：

或者是：

在不同的时间步，RNN的输入都将与之前的时间状态有关，​时刻网络的输出结果是该时刻的输入和所有历史共同作用的结果，这就达到了对时间序列建模的目的。

RNN的不同表示和功能可以通过下图看出：

• 图1：固定长度的输入和输出 (e.g. 图像分类)

• 图2：序列输出 (e.g.图像转文字)

• 图3：数列输入 (e.g. 文本分类)

• 图4：异步的序列输入和输出(e.g.文本翻译).

• 图5：同步的序列输入和输出 (e.g. 根据视频的每一帧来对视频进行分类)

2. LSTM和GRU

2.1 LSTM的基础介绍

假如现在有这样一个需求，根据现有文本预测下一个词语，比如天上的云朵漂浮在__，通过间隔不远的位置就可以预测出来词语是天上，但是对于其他一些句子，可能需要被预测的词语在前100个词语之前，那么此时由于间隔非常大，随着间隔的增加可能会导致真实的预测值对结果的影响变的非常小，而无法非常好的进行预测（RNN中的长期依赖问题（long-Term Dependencies））

那么为了解决这个问题需要LSTM（Long Short-Term Memory网络）

LSTM是一种RNN特殊的类型，可以学习长期依赖信息。在很多问题上，LSTM都取得相当巨大的成功，并得到了广泛的应用。

一个LSMT的单元就是下图中的一个绿色方框中的内容：

其中​表示sigmod函数，其他符号的含义：

2.2 LSTM的核心

LSTM的核心在于单元（细胞）中的状态，也就是上图中最上面的那根线。

但是如果只有上面那一条线，那么没有办法实现信息的增加或者删除，所以在LSTM是通过一个叫做门的结构实现，门可以选择让信息通过或者不通过。

这个门主要是通过sigmoid和点乘（pointwise multiplication）实现的

我们都知道，​的取值范围是在(0,1)之间，如果接近0表示不让任何信息通过，如果接近1表示所有的信息都会通过

2.3 逐步理解LSTM

2.3.1 遗忘门

遗忘门通过sigmoid函数来决定哪些信息会被遗忘

在下图就是和​进行合并（concat）之后乘上权重和偏置，通过sigmoid函数，输出0-1之间的一个值，这个值会和前一次的细胞状态(​)进行点乘，从而决定遗忘或者保留

2.3.2 输入门

下一步就是决定哪些新的信息会被保留，这个过程有两步：

1. 一个被称为输入门的sigmoid 层决定哪些信息会被更新

2. tanh会创造一个新的候选向量​，后续可能会被添加到细胞状态中

例如：

我昨天吃了苹果，今天我想吃菠萝，在这个句子中，通过遗忘门可以遗忘苹果,同时更新新的主语为菠萝

现在就可以更新旧的细胞状态​为新的​ 了。

更新的构成很简单就是：

1. 旧的细胞状态和遗忘门的结果相乘

2. 然后加上 输入门和tanh相乘的结果

2.3.3 输出门

最后，我们需要决定什么信息会被输出，也是一样这个输出经过变换之后会通过sigmoid函数的结果来决定那些细胞状态会被输出。

步骤如下：

1. 前一次的输出和当前时间步的输入的组合结果通过sigmoid函数进行处理得到​

2. 更新后的细胞状态​会经过tanh层的处理，把数据转化到(-1,1)的区间

3. tanh处理后的结果和​进行相乘，把结果输出同时传到下一个LSTM的单元

2.4 GRU，LSTM的变形

GRU(Gated Recurrent Unit),是一种LSTM的变形版本， 它将遗忘和输入门组合成一个“更新门”。它还合并了单元状态和隐藏状态，并进行了一些其他更改，由于他的模型比标准LSTM模型简单，所以越来越受欢迎。

LSTM内容参考地址：https://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/

3. 双向LSTM

单向的 RNN，是根据前面的信息推出后面的，但有时候只看前面的词是不够的， 可能需要预测的词语和后面的内容也相关，那么此时需要一种机制，能够让模型不仅能够从前往后的具有记忆，还需要从后往前需要记忆。此时双向LSTM就可以帮助我们解决这个问题

由于是双向LSTM，所以每个方向的LSTM都会有一个输出，最终的输出会有2部分，所以往往需要concat的操作

======================================================

循环神经网络实现文本情感分类

目标

1. 知道LSTM和GRU的使用方法及输入输出的格式

2. 能够应用LSTM和GRU实现文本情感分类

1. Pytorch中LSTM和GRU模块使用

1.1 LSTM介绍

LSTM和GRU都是由torch.nn提供

通过观察文档，可知LSMT的参数，

torch.nn.LSTM(input_size,hidden_size,num_layers,batch_first,dropout,bidirectional)

1. input_size：输入数据的形状，即embedding_dim

2. hidden_size：隐藏层神经元的数量，即每一层有多少个LSTM单元

3. num_layer ：即RNN的中LSTM单元的层数

4. batch_first：默认值为False，输入的数据需要[seq_len,batch,feature],如果为True，则为[batch,seq_len,feature]

5. dropout:dropout的比例，默认值为0。dropout是一种训练过程中让部分参数随机失活的一种方式，能够提高训练速度，同时能够解决过拟合的问题。这里是在LSTM的最后一层，对每个输出进行dropout

6. bidirectional：是否使用双向LSTM,默认是False

实例化LSTM对象之后,不仅需要传入数据，还需要前一次的h0(前一次的隐藏状态)和c0（前一次memory）

即：lstm(input,(h_0,c_0))

LSTM的默认输出为output, (h_n, c_n)

1. output：(seq_len, batch, num_directions * hidden_size)--->batch_first=False

2. h_n:(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)

3. c_n: (num_layers * num_directions, batch, hidden_size)

1.2 LSTM使用示例

假设数据输入为 input ,形状是[10,20]，假设embedding的形状是[100,30]

则LSTM使用示例如下：

batch_size =10
seq_len = 20
embedding_dim = 30
word_vocab = 100
hidden_size = 18
num_layer = 2

#准备输入数据
input = torch.randint(low=0,high=100,size=(batch_size,seq_len))
#准备embedding
embedding  = torch.nn.Embedding(word_vocab,embedding_dim)
lstm = torch.nn.LSTM(embedding_dim,hidden_size,num_layer)

#进行mebed操作
embed = embedding(input) #[10,20,30]

#转化数据为batch_first=False
embed = embed.permute(1,0,2) #[20,10,30]

#初始化状态， 如果不初始化，torch默认初始值为全0
h_0 = torch.rand(num_layer,batch_size,hidden_size)
c_0 = torch.rand(num_layer,batch_size,hidden_size)
output,(h_1,c_1) = lstm(embed,(h_0,c_0))
#output [20,10,1*18]
#h_1 [2,10,18]
#c_1 [2,10,18]

输出如下

In [122]: output.size()
Out[122]: torch.Size([20, 10, 18])

In [123]: h_1.size()
Out[123]: torch.Size([2, 10, 18])

In [124]: c_1.size()
Out[124]: torch.Size([2, 10, 18])

通过前面的学习，我们知道，最后一次的h_1应该和output的最后一个time step的输出是一样的

通过下面的代码，我们来验证一下：

In [179]: a = output[-1,:,:]

In [180]: a.size()
Out[180]: torch.Size([10, 18])

In [183]: b.size()
Out[183]: torch.Size([10, 18])
In [184]: a == b
Out[184]:
tensor([[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]],
       dtype=torch.uint8)

1.3 GRU的使用示例

GRU模块torch.nn.GRU，和LSTM的参数相同，含义相同，具体可参考文档

但是输入只剩下gru(input,h_0)，输出为output, h_n

其形状为：

1. output:(seq_len, batch, num_directions * hidden_size)

2. h_n:(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)

大家可以使用上述代码，观察GRU的输出形式

1.4 双向LSTM

如果需要使用双向LSTM，则在实例化LSTM的过程中，需要把LSTM中的bidriectional设置为True，同时h0和c0使用num_layer*2

观察效果，输出为

batch_size =10 #句子的数量
seq_len = 20  #每个句子的长度
embedding_dim = 30  #每个词语使用多长的向量表示
word_vocab = 100  #词典中词语的总数
hidden_size = 18  #隐层中lstm的个数
num_layer = 2  #多少个隐藏层

input = torch.randint(low=0,high=100,size=(batch_size,seq_len))
embedding  = torch.nn.Embedding(word_vocab,embedding_dim)
lstm = torch.nn.LSTM(embedding_dim,hidden_size,num_layer,bidirectional=True)

embed = embedding(input) #[10,20,30]

#转化数据为batch_first=False
embed = embed.permute(1,0,2) #[20,10,30]
h_0 = torch.rand(num_layer*2,batch_size,hidden_size)
c_0 = torch.rand(num_layer*2,batch_size,hidden_size)
output,(h_1,c_1) = lstm(embed,(h_0,c_0))

In [135]: output.size()
Out[135]: torch.Size([20, 10, 36])

In [136]: h_1.size()
Out[136]: torch.Size([4, 10, 18])

In [137]: c_1.size()
Out[137]: torch.Size([4, 10, 18])

双向LSTM呢？

双向LSTM中：

output：按照正反计算的结果顺序在第2个维度进行拼接，正向第一个拼接反向的最后一个输出

hidden state:按照得到的结果在第0个维度进行拼接，正向第一个之后接着是反向第一个

1. 前向的LSTM中，最后一个time step的输出的前hidden_size个和最后一层向前传播h_1的输出相同

   • 示例：

#-1是前向LSTM的最后一个，前18是前hidden_size个
In [188]: a = output[-1,:,:18]  #前项LSTM中最后一个time step的output

In [189]: b = h_1[-2,:,:]  #倒数第二个为前向

In [190]: a.size()
Out[190]: torch.Size([10, 18])

In [191]: b.size()
Out[191]: torch.Size([10, 18])

In [192]: a == b
Out[192]:
tensor([[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]],
       dtype=torch.uint8)

后向LSTM中，最后一个time step的输出的后hidden_size个和最后一层后向传播的h_1的输出相同

• 示例

#0 是反向LSTM的最后一个，后18是后hidden_size个
In [196]: c = output[0,:,18:]  #后向LSTM中的最后一个输出

In [197]: d = h_1[-1,:,:] #后向LSTM中的最后一个隐藏层状态

In [198]: c == d
Out[198]:
tensor([[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]],
       dtype=torch.uint8)

1.4 LSTM和GRU的使用注意点

1. 第一次调用之前，需要初始化隐藏状态，如果不初始化，默认创建全为0的隐藏状态

2. 往往会使用LSTM or GRU 的输出的最后一维的结果，来代表LSTM、GRU对文本处理的结果，其形状为[batch, num_directions*hidden_size]。

   1. 并不是所有模型都会使用最后一维的结果

   2. 如果实例化LSTM的过程中，batch_first=False,则output[-1] or output[-1,:,:]可以获取最后一维

   3. 如果实例化LSTM的过程中，batch_first=True,则output[:,-1,:]可以获取最后一维

3. 如果结果是(seq_len, batch_size, num_directions * hidden_size),需要把它转化为(batch_size,seq_len, num_directions * hidden_size)的形状，不能够不是view等变形的方法，需要使用output.permute(1,0,2)，即交换0和1轴，实现上述效果

4. 使用双向LSTM的时候，往往会分别使用每个方向最后一次的output，作为当前数据经过双向LSTM的结果

   • 即：torch.cat([h_1[-2,:,:],h_1[-1,:,:]],dim=-1)

   • 最后的表示的size是[batch_size,hidden_size*2]

5. 上述内容在GRU中同理

2. 使用LSTM完成文本情感分类

在前面，我们使用了word embedding去实现了toy级别的文本情感分类，那么现在我们在这个模型中添加上LSTM层，观察分类效果。

为了达到更好的效果，对之前的模型做如下修改

1. MAX_LEN = 200

2. 构建dataset的过程，把数据转化为2分类的问题，pos为1，neg为0，否则25000个样本完成10个类别的划分数据量是不够的

3. 在实例化LSTM的时候，使用dropout=0.5，在model.eval()的过程中，dropout自动会为0

2.1 修改模型

class IMDBLstmmodel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(IMDBLstmmodel,self).__init__()
        self.hidden_size = 64
        self.embedding_dim = 200
        self.num_layer = 2
        self.bidriectional = True
        self.bi_num = 2 if self.bidriectional else 1
        self.dropout = 0.5
        #以上部分为超参数，可以自行修改

        self.embedding = nn.Embedding(len(ws),self.embedding_dim,padding_idx=ws.PAD) #[N,300]
        self.lstm = nn.LSTM(self.embedding_dim,self.hidden_size,self.num_layer,bidirectional=True,dropout=self.dropout)
        #使用两个全连接层，中间使用relu激活函数
        self.fc = nn.Linear(self.hidden_size*self.bi_num,20)
        self.fc2 = nn.Linear(20,2)


    def forward(self, x):
        x = self.embedding(x)
        x = x.permute(1,0,2) #进行轴交换
        h_0,c_0 = self.init_hidden_state(x.size(1))
        _,(h_n,c_n) = self.lstm(x,(h_0,c_0))

        #只要最后一个lstm单元处理的结果，这里多去的hidden state
        out = torch.cat([h_n[-2, :, :], h_n[-1, :, :]], dim=-1)
        out = self.fc(out)
        out = F.relu(out)
        out = self.fc2(out)
        return F.log_softmax(out,dim=-1)

    def init_hidden_state(self,batch_size):
        h_0 = torch.rand(self.num_layer * self.bi_num, batch_size, self.hidden_size).to(device)
        c_0 = torch.rand(self.num_layer * self.bi_num, batch_size, self.hidden_size).to(device)
        return h_0,c_0

2.2 完成训练和测试代码

为了提高程序的运行速度，可以考虑把模型放在gup上运行，那么此时需要处理一下几点：

1. device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

2. model.to(device)

3. 除了上述修改外，涉及计算的所有tensor都需要转化为CUDA的tensor

   1. 初始化的h_0,c_0

   2. 训练集和测试集的input,traget

4. 在最后可以通过tensor.cpu()转化为torch的普通tensor

train_batch_size = 64
test_batch_size = 5000
# imdb_model = IMDBModel(MAX_LEN) #基础model
imdb_model = IMDBLstmmodel().to(device) #在gpu上运行，提高运行速度
# imdb_model.load_state_dict(torch.load("model/mnist_net.pkl"))
optimizer = optim.Adam(imdb_model.parameters())
criterion = nn.CrossEntropyLoss()

def train(epoch):
    mode = True
    imdb_model.train(mode)
    train_dataloader =get_dataloader(mode,train_batch_size)
    for idx,(target,input,input_lenght) in enumerate(train_dataloader):
        target = target.to(device)
        input = input.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = imdb_model(input)
        loss = F.nll_loss(output,target) #traget需要是[0,9]，不能是[1-10]
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if idx %10 == 0:
            pred = torch.max(output, dim=-1, keepdim=False)[-1]
            acc = pred.eq(target.data).cpu().numpy().mean()*100.

            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}\t ACC: {:.6f}'.format(epoch, idx * len(input), len(train_dataloader.dataset),
                       100. * idx / len(train_dataloader), loss.item(),acc))

            torch.save(imdb_model.state_dict(), "model/mnist_net.pkl")
            torch.save(optimizer.state_dict(), 'model/mnist_optimizer.pkl')
            
 def test():
    mode = False
    imdb_model.eval()
    test_dataloader = get_dataloader(mode, test_batch_size)
    with torch.no_grad():
        for idx,(target, input, input_lenght) in enumerate(test_dataloader):
            target = target.to(device)
            input = input.to(device)
            output = imdb_model(input)
            test_loss  = F.nll_loss(output, target,reduction="mean")
            pred = torch.max(output,dim=-1,keepdim=False)[-1]
            correct = pred.eq(target.data).sum()
            acc = 100. * pred.eq(target.data).cpu().numpy().mean()
            print('idx: {} Test set: Avg. loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.2f}%)\n'.format(idx,test_loss, correct, target.size(0),acc))
            
 if __name__ == "__main__":
    test()
    for i in range(10):
        train(i)
        test()

2.3 模型训练的最终输出

...
Train Epoch: 9 [20480/25000 (82%)]	Loss: 0.017165	 ACC: 100.000000
Train Epoch: 9 [21120/25000 (84%)]	Loss: 0.021572	 ACC: 98.437500
Train Epoch: 9 [21760/25000 (87%)]	Loss: 0.058546	 ACC: 98.437500
Train Epoch: 9 [22400/25000 (90%)]	Loss: 0.045248	 ACC: 98.437500
Train Epoch: 9 [23040/25000 (92%)]	Loss: 0.027622	 ACC: 98.437500
Train Epoch: 9 [23680/25000 (95%)]	Loss: 0.097722	 ACC: 95.312500
Train Epoch: 9 [24320/25000 (97%)]	Loss: 0.026713	 ACC: 98.437500
Train Epoch: 9 [15600/25000 (100%)]	Loss: 0.006082	 ACC: 100.000000
idx: 0 Test set: Avg. loss: 0.8794, Accuracy: 4053/5000 (81.06%)
idx: 1 Test set: Avg. loss: 0.8791, Accuracy: 4018/5000 (80.36%)
idx: 2 Test set: Avg. loss: 0.8250, Accuracy: 4087/5000 (81.74%)
idx: 3 Test set: Avg. loss: 0.8380, Accuracy: 4074/5000 (81.48%)
idx: 4 Test set: Avg. loss: 0.8696, Accuracy: 4027/5000 (80.54%)

可以看到模型的测试准确率稳定在81%左右。

大家可以把上述代码改为GRU，或者多层LSTM继续尝试，观察效果

=========================================

Pytorch中的序列化容器

目标

1. 知道梯度消失和梯度爆炸的原理和解决方法

2. 能够使用nn.Sequential完成模型的搭建

3. 知道nn.BatchNorm1d的使用方法

4. 知道nn.Dropout的使用方法

1. 梯度消失和梯度爆炸

在使用pytorch中的序列化 容器之前，我们先来了解一下常见的梯度消失和梯度爆炸的问题

1.1 梯度消失

假设我们有四层极简神经网络：每层只有一个神经元

假设我们使用sigmoid激活函数，即f为sigmoid函数，sigmoid的导数如下图

1. 改进梯度优化算法：使用adam等算法

2. 使用batch normalization

2. nn.Sequential

nn.Sequential是一个有序的容器，其中传入的是构造器类(各种用来处理input的类)，最终input会被Sequential中的构造器类依次执行

例如：

layer = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, n_hidden_1), 
            nn.ReLU(True)， #inplace=False 是否对输入进行就地修改，默认为False
            nn.Linear(n_hidden_1, n_hidden_2)，
            nn.ReLU(True)，
            nn.Linear(n_hidden_2, output_dim) # 最后一层不需要添加激活函数
             )

在上述就够中，可以直接调用layer(x)，得到输出

x的被执行顺序就是Sequential中定义的顺序：

1. 被隐层1执行，形状变为[batch_size,n_hidden_1]

2. 被relu执行，形状不变

3. 被隐层2执行，形状变为[batch_size,n_hidden_2]

4. 被relu执行，形状不变

5. 被最后一层执行，形状变为[batch_size,output_dim]

3. nn.BatchNorm1d

batch normalization 翻译成中文就是批规范化，即在每个batch训练的过程中，对参数进行归一化的处理，从而达到加快训练速度的效果。

以sigmoid激活函数为例，他在反向传播的过程中，在值为0,1的时候，梯度接近0，导致参数被更新的幅度很小，训练速度慢。但是如果对数据进行归一化之后，就会尽可能的把数据拉倒[0-1]的范围，从而让参数更新的幅度变大，提高训练的速度。

batchNorm一般会放到激活函数之后，即对输入进行激活处理之后再进入batchNorm

layer = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, n_hidden_1),
    		
            nn.ReLU(True)， 
    		nn.BatchNorm1d(n_hidden_1)
    
            nn.Linear(n_hidden_1, n_hidden_2)，
            nn.ReLU(True)，
    		nn.BatchNorm1d(n_hidden_2)

            nn.Linear(n_hidden_2, output_dim) 
             )

4. nn.Dropout

dropout在前面已经介绍过，可以理解为对参数的随机失活

1. 增加模型的稳健性

2. 可以解决过拟合的问题（增加模型的泛化能力）

3. 可以理解为训练后的模型是多个模型的组合之后的结果，类似随机森林。

layer = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, n_hidden_1),
            nn.ReLU(True)， 
    		nn.BatchNorm1d(n_hidden_1)
    		nn.Dropout(0.3) #0.3 为dropout的比例，默认值为0.5
    
            nn.Linear(n_hidden_1, n_hidden_2)，
            nn.ReLU(True)，
    		nn.BatchNorm1d(n_hidden_2)
    		nn.Dropout(0.3)
    
            nn.Linear(n_hidden_2, output_dim) 
             )