Pytorch深度学习（2） -- RNN及其进阶模型实现

0 预测训练函数

def train_and_predict_rnn(rnn, get_params, init_rnn_state, num_hiddens,
                          vocab_size, device, corpus_indices, idx_to_char,
                          char_to_idx, is_random_iter, num_epochs, num_steps,
                          lr, clipping_theta, batch_size, pred_period,
                          pred_len, prefixes):
    if is_random_iter:
        data_iter_fn = d2l.data_iter_random
    else:
        data_iter_fn = d2l.data_iter_consecutive
    params = get_params()
    loss = nn.CrossEntropyLoss()

    for epoch in range(num_epochs):
        if not is_random_iter:  # 如使用相邻采样，在epoch开始时初始化隐藏状态
            state = init_rnn_state(batch_size, num_hiddens, device)
        l_sum, n, start = 0.0, 0, time.time()
        data_iter = data_iter_fn(corpus_indices, batch_size, num_steps, device)
        for X, Y in data_iter:
            if is_random_iter:  # 如使用随机采样，在每个小批量更新前初始化隐藏状态
                state = init_rnn_state(batch_size, num_hiddens, device)
            else:  
            # 否则需要使用detach函数从计算图分离隐藏状态, 这是为了
            # 使模型参数的梯度计算只依赖一次迭代读取的小批量序列(防止梯度计算开销太大)
                for s in state:
                    s.detach_()
            
            inputs = to_onehot(X, vocab_size)
            # outputs有num_steps个形状为(batch_size, vocab_size)的矩阵
            (outputs, state) = rnn(inputs, state, params)
            # 拼接之后形状为(num_steps * batch_size, vocab_size)
            outputs = torch.cat(outputs, dim=0)
            # Y的形状是(batch_size, num_steps)，转置后再变成长度为
            # batch * num_steps 的向量，这样跟输出的行一一对应
            y = torch.transpose(Y, 0, 1).contiguous().view(-1)
            # 使用交叉熵损失计算平均分类误差
            l = loss(outputs, y.long())
            
            # 梯度清0
            if params[0].grad is not None:
                for param in params:
                    param.grad.data.zero_()
            l.backward()
            grad_clipping(params, clipping_theta, device)  # 裁剪梯度
            d2l.sgd(params, lr, 1)  # 因为误差已经取过均值，梯度不用再做平均
            l_sum += l.item() * y.shape[0]
            n += y.shape[0]

        if (epoch + 1) % pred_period == 0:
            print('epoch %d, perplexity %f, time %.2f sec' % (
                epoch + 1, math.exp(l_sum / n), time.time() - start))
            for prefix in prefixes:
                print(' -', predict_rnn(prefix, pred_len, rnn, params, init_rnn_state,
                    num_hiddens, vocab_size, device, idx_to_char, char_to_idx))

1.RNN实现

1.1定义RNN模型

PyTorch中的nn模块提供了循环神经网络的实现。下面构造一个含单隐藏层、隐藏单元个数为256的循环神经网络层rnn_layer。

num_hiddens = 256
# rnn_layer = nn.LSTM(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens) # 已测试
rnn_layer = nn.RNN(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens)

接下来我们继承Module类来定义一个完整的循环神经网络。它首先将输入数据使用one-hot向量表示后输入到rnn_layer中，然后使用全连接输出层得到输出。输出个数等于词典大小vocab_size。

class RNNModel(nn.Module):
    def __init__(self, rnn_layer, vocab_size):
        super(RNNModel, self).__init__()
        self.rnn = rnn_layer
        self.hidden_size = rnn_layer.hidden_size * (2 if rnn_layer.bidirectional else 1) 
        self.vocab_size = vocab_size
        self.dense = nn.Linear(self.hidden_size, vocab_size)
        self.state = None

    def forward(self, inputs, state): # inputs: (batch, seq_len)
        # 获取one-hot向量表示
        X = d2l.to_onehot(inputs, self.vocab_size) # X是个list
        Y, self.state = self.rnn(torch.stack(X), state)
        # 全连接层会首先将Y的形状变成(num_steps * batch_size, num_hiddens)，它的输出
        # 形状为(num_steps * batch_size, vocab_size)
        output = self.dense(Y.view(-1, Y.shape[-1]))
        return output, self.state

1.2 训练RNN模型

接下来实现训练函数。算法同上一节的一样，但这里只使用了相邻采样来读取数据。

def train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                                corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                                num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                                batch_size, pred_period, pred_len, prefixes):
    loss = nn.CrossEntropyLoss()
    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)
    model.to(device)
    state = None
    for epoch in range(num_epochs):
        l_sum, n, start = 0.0, 0, time.time()
        data_iter = d2l.data_iter_consecutive(corpus_indices, batch_size, num_steps, device) # 相邻采样
        for X, Y in data_iter:
            if state is not None:
                # 使用detach函数从计算图分离隐藏状态, 这是为了
                # 使模型参数的梯度计算只依赖一次迭代读取的小批量序列(防止梯度计算开销太大)
                if isinstance (state, tuple): # LSTM, state:(h, c)  
                    state = (state[0].detach(), state[1].detach())
                else:   
                    state = state.detach()
    
            (output, state) = model(X, state) # output: 形状为(num_steps * batch_size, vocab_size)
            
            # Y的形状是(batch_size, num_steps)，转置后再变成长度为
            # batch * num_steps 的向量，这样跟输出的行一一对应
            y = torch.transpose(Y, 0, 1).contiguous().view(-1)
            l = loss(output, y.long())
            
            optimizer.zero_grad()
            l.backward()
            # 梯度裁剪
            d2l.grad_clipping(model.parameters(), clipping_theta, device)
            optimizer.step()
            l_sum += l.item() * y.shape[0]
            n += y.shape[0]
        
        try:
            perplexity = math.exp(l_sum / n)
        except OverflowError:
            perplexity = float('inf')
        if (epoch + 1) % pred_period == 0:
            print('epoch %d, perplexity %f, time %.2f sec' % (
                epoch + 1, perplexity, time.time() - start))
            for prefix in prefixes:
                print(' -', predict_rnn_pytorch(
                    prefix, pred_len, model, vocab_size, device, idx_to_char,
                    char_to_idx))

使用和上一节实验中一样的超参数（除了学习率）来训练模型。

num_epochs, batch_size, lr, clipping_theta = 250, 32, 1e-3, 1e-2 # 注意这里的学习率设置
pred_period, pred_len, prefixes = 50, 50, ['分开', '不分开']
train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                            corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                            num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                            batch_size, pred_period, pred_len, prefixes)

输出：

epoch 50, perplexity 10.658418, time 0.05 sec
 - 分开始我妈  想要你 我不多 让我心到的 我妈妈 我不能再想 我不多再想 我不要再想 我不多再想 我不要
 - 不分开 我想要你不你 我 你不要 让我心到的 我妈人 可爱女人 坏坏的让我疯狂的可爱女人 坏坏的让我疯狂的
epoch 100, perplexity 1.308539, time 0.05 sec
 - 分开不会痛 不要 你在黑色幽默 开始了美丽全脸的梦滴 闪烁成回忆 伤人的美丽 你的完美主义 太彻底 让我
 - 不分开不是我不要再想你 我不能这样牵着你的手不放开 爱可不可以简简单单没有伤害 你 靠着我的肩膀 你 在我
epoch 150, perplexity 1.070370, time 0.05 sec
 - 分开不能去河南嵩山 学少林跟武当 快使用双截棍 哼哼哈兮 快使用双截棍 哼哼哈兮 习武之人切记 仁者无敌
 - 不分开 在我会想通 是谁开没有全有开始 他心今天 一切人看 我 一口令秋软语的姑娘缓缓走过外滩 消失的 旧
epoch 200, perplexity 1.034663, time 0.05 sec
 - 分开不能去吗周杰伦 才离 没要你在一场悲剧 我的完美主义 太彻底 分手的话像语言暴力 我已无能为力再提起
 - 不分开 让我面到你 爱情来的太快就像龙卷风 离不开暴风圈来不及逃 我不能再想 我不能再想 我不 我不 我不
epoch 250, perplexity 1.021437, time 0.05 sec
 - 分开 我我外的家边 你知道这 我爱不看的太  我想一个又重来不以 迷已文一只剩下回忆 让我叫带你 你你的
 - 不分开 我我想想和 是你听没不  我不能不想  不知不觉 你已经离开我 不知不觉 我跟了这节奏 后知后觉 

2.GRU的实现

在PyTorch中我们直接调用nn模块中的GRU类即可。

num_hiddens=256
num_epochs, num_steps, batch_size, lr, clipping_theta = 160, 35, 32, 1e2, 1e-2
pred_period, pred_len, prefixes = 40, 50, ['分开', '不分开']

lr = 1e-2 # 注意调整学习率
gru_layer = nn.GRU(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens)
model = d2l.RNNModel(gru_layer, vocab_size).to(device)
d2l.train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                                corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                                num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                                batch_size, pred_period, pred_len, prefixes)

输出：

epoch 40, perplexity 1.022157, time 1.02 sec
 - 分开手牵手 一步两步三步四步望著天 看星星 一颗两颗三颗四颗 连成线背著背默默许下心愿 看远方的星是否听
 - 不分开暴风圈来不及逃 我不能再想 我不能再想 我不 我不 我不能 爱情走的太快就像龙卷风 不能承受我已无处
epoch 80, perplexity 1.014535, time 1.04 sec
 - 分开始想像 爸和妈当年的模样 说著一口吴侬软语的姑娘缓缓走过外滩 消失的 旧时光 一九四三 在回忆 的路
 - 不分开始爱像  不知不觉 你已经离开我 不知不觉 我跟了这节奏 后知后觉 又过了一个秋 后知后觉 我该好好
epoch 120, perplexity 1.147843, time 1.04 sec
 - 分开都靠我 你拿着球不投 又不会掩护我 选你这种队友 瞎透了我 说你说 分数怎么停留 所有回忆对着我进攻
 - 不分开球我有多烦恼多 牧草有没有危险 一场梦 我面对我 甩开球我满腔的怒火 我想揍你已经很久 别想躲 说你
epoch 160, perplexity 1.018370, time 1.05 sec
 - 分开爱上你 那场悲剧 是你完美演出的一场戏 宁愿心碎哭泣 再狠狠忘记 你爱过我的证据 让晶莹的泪滴 闪烁
 - 不分开始 担心今天的你过得好不好 整个画面是你 想你想的睡不著 嘴嘟嘟那可爱的模样 还有在你身上香香的味道

小结

• 门控循环神经网络可以更好地捕捉时间序列中时间步距离较大的依赖关系。
• 门控循环单元引入了门的概念，从而修改了循环神经网络中隐藏状态的计算方式。它包括重置门、更新门、候选隐藏状态和隐藏状态。
• 重置门有助于捕捉时间序列里短期的依赖关系。
• 更新门有助于捕捉时间序列里长期的依赖关系。

3.LSTM

在Pytorch中我们可以直接调用rnn模块中的LSTM类。

num_hiddens=256
num_epochs, num_steps, batch_size, lr, clipping_theta = 160, 35, 32, 1e2, 1e-2
pred_period, pred_len, prefixes = 40, 50, ['分开', '不分开']

lr = 1e-2 # 注意调整学习率
lstm_layer = nn.LSTM(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens)
model = d2l.RNNModel(lstm_layer, vocab_size)
d2l.train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                                corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                                num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                                batch_size, pred_period, pred_len, prefixes)

输出：

epoch 40, perplexity 1.020401, time 1.54 sec
 - 分开始想担 妈跟我 一定是我妈在 因为分手前那句抱歉 在感动 穿梭时间的画面的钟 从反方向开始移动 回到
 - 不分开始想像 妈跟我 我将我的寂寞封闭 然后在这里 不限日期 然后将过去 慢慢温习 让我爱上你 那场悲剧 
epoch 80, perplexity 1.011164, time 1.34 sec
 - 分开始想担 你的 从前的可爱女人 温柔的让我心疼的可爱女人 透明的让我感动的可爱女人 坏坏的让我疯狂的可
 - 不分开 我满了 让我疯狂的可爱女人 漂亮的让我面红的可爱女人 温柔的让我心疼的可爱女人 透明的让我感动的可
epoch 120, perplexity 1.025348, time 1.39 sec
 - 分开始共渡每一天 手牵手 一步两步三步四步望著天 看星星 一颗两颗三颗四颗 连成线背著背默默许下心愿 看
 - 不分开 我不懂 说了没用 他的笑容 有何不同 在你心中 我不再受宠 我的天空 是雨是风 还是彩虹 你在操纵
epoch 160, perplexity 1.017492, time 1.42 sec
 - 分开始乡相信命运 感谢地心引力 让我碰到你 漂亮的让我面红的可爱女人 温柔的让我心疼的可爱女人 透明的让
 - 不分开 我不能再想 我不 我不 我不能 爱情走的太快就像龙卷风 不能承受我已无处可躲 我不要再想 我不要再

小结

• 长短期记忆的隐藏层输出包括隐藏状态和记忆细胞。只有隐藏状态会传递到输出层。
• 长短期记忆的输入门、遗忘门和输出门可以控制信息的流动。
• 长短期记忆可以应对循环神经网络中的梯度衰减问题，并更好地捕捉时间序列中时间步距离较大的依赖关系。

4.Deep-RNN

4.1加入num_layers=2参数

num_hiddens=256
num_epochs, num_steps, batch_size, lr, clipping_theta = 160, 35, 32, 1e2, 1e-2
pred_period, pred_len, prefixes = 40, 50, ['分开', '不分开']

lr = 1e-2 # 注意调整学习率

gru_layer = nn.LSTM(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens,num_layers=2)
model = d2l.RNNModel(gru_layer, vocab_size).to(device)
d2l.train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                                corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                                num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                                batch_size, pred_period, pred_len, prefixes)

输出

epoch 40, perplexity 12.840496, time 1.52 sec
 - 分开我 想你的话我在想再你的让我女疼 我想你 我有要有 想你你 想你的让我女沉 我想你你 想你的让我女沉
 - 不分开的经爱女人 坏坏的让我疯狂的可爱女人 坏坏的让我疯狂的可爱女人 坏坏的让我疯狂的可爱女人 坏坏的让我
epoch 80, perplexity 1.247634, time 1.52 sec
 - 分开有一条热昏头的响尾蛇 无力的躺在干枯的河 在等待雨季来临变沼泽 灰狼啃食著水鹿的骨头 秃鹰盘旋死盯着
 - 不分开的会手 穿梭放受 一朵一朵因你而香 试图让夕阳飞翔 带领你我环绕大自然 迎著风 开始共渡每一天 手牵
epoch 120, perplexity 1.021974, time 1.56 sec
 - 分开我妈妈 我有多重要 我后悔没让你知道 安静的听你撒娇 看你睡著一直到老 就是开不了口让她知道 就是那
 - 不分开的会堡  想要将我不投 又不会掩护我 选你这种队友 瞎透了我 说你说 分数怎么停留 一直在停留 谁让
epoch 160, perplexity 1.016324, time 1.59 sec
 - 分开在没有一个人身留  旧时光 一九四三 在回忆 的路上 时间变好慢 老街坊 小弄堂 是属于那年代白墙黑
 - 不分开的我有 有样的要再这样打我妈妈 难道你手不会痛吗 不要再这样打我妈妈 难道你手不会痛吗 不要再这样打

5.Bi-RNN

5.1 实现时加入bidirectional=True参数

num_epochs, num_steps, batch_size, lr, clipping_theta = 160, 35, 32, 1e-2, 1e-2
pred_period, pred_len, prefixes = 40, 50, ['分开', '不分开']

lr = 1e-2 # 注意调整学习率

gru_layer = nn.GRU(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens,bidirectional=True)
model = d2l.RNNModel(gru_layer, vocab_size).to(device)
d2l.train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                                corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                                num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                                batch_size, pred_period, pred_len, prefixes)

输出

epoch 40, perplexity 1.001741, time 0.91 sec
 - 分开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开
 - 不分开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开
epoch 80, perplexity 1.000520, time 0.91 sec
 - 分开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开
 - 不分开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开
epoch 120, perplexity 1.000255, time 0.99 sec
 - 分开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开
 - 不分开球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我
epoch 160, perplexity 1.000151, time 0.92 sec
 - 分开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开始开
 - 不分开球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我球我