深度学习入门（五十七）循环神经网络——循环神经网络从零开始实现
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循环神经网络——循环神经网络从零开始实现
教材
在本节中，我们将根据循环神经网络一节中的描述， 从头开始基于循环神经网络实现字符级语言模型。 这样的模型将在H.G.Wells的时光机器数据集上训练。 和前面介绍过的一样， 我们先读取数据集。
%matplotlib inline
import math
import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from d2l import torch as d2l
batch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
1 独热编码(one-hot)
回想一下，在train_iter中，每个词元都表示为一个数字索引， 将这些索引直接输入神经网络可能会使学习变得困难。 我们通常将每个词元表示为更具表现力的特征向量。 最简单的表示称为独热编码（one-hot encoding），它在softmax一节中介绍过。
简言之，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 N N（即 l e n ( v o c a b ) len(vocab) len(vocab)）， 词元索引的范围为 0 0 0到 N − 1 N-1 N−1。 如果词元的索引是整数 i i i， 那么我们将创建一个长度为 N N N的全 0 0 0向量， 并将第 i i i处的元素设置为 1 1 1。 此向量是原始词元的一个独热向量。 索引为 0 0 0和 2 2 2的独热向量如下所示：
F.one_hot(torch.tensor([0, 2]), len(vocab))
输出：
tensor([[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0]])
我们每次采样的小批量数据形状是二维张量： （批量大小，时间步数）。 one_hot函数将这样一个小批量数据转换成三维张量， 张量的最后一个维度等于词表大小（ l e n ( v o c a b ) len(vocab) len(vocab)）。 我们经常转换输入的维度，以便获得形状为 （时间步数，批量大小，词表大小）的输出。 这将使我们能够更方便地通过最外层的维度， 一步一步地更新小批量数据的隐状态。
X = torch.arange(10).reshape((2, 5))
F.one_hot(X.T, 28).shape
输出：
torch.Size([5, 2, 28])
2 初始化模型参数
接下来，我们初始化循环神经网络模型的模型参数。 隐藏单元数num_hiddens是一个可调的超参数。 当训练语言模型时，输入和输出来自相同的词表。 因此，它们具有相同的维度，即词表的大小。
def get_params(vocab_size, num_hiddens, device):
num_inputs = num_outputs = vocab_size
def normal(shape):
return torch.randn(size=shape, device=device) * 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, device=device)
# 输出层参数
W_hq = normal((num_hiddens, num_outputs))
b_q = torch.zeros(num_outputs, device=device)
# 附加梯度
params = [W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q]
for param in params:
param.requires_grad_(True)
return params
3 循环神经网络模型
为了定义循环神经网络模型， 我们首先需要一个init_rnn_state函数在初始化时返回隐状态。 这个函数的返回是一个张量，张量全用0填充， 形状为（批量大小，隐藏单元数）。 在后面的章节中我们将会遇到隐状态包含多个变量的情况， 而使用元组可以更容易地处理些。
def init_rnn_state(batch_size, num_hiddens, device):
return (torch.zeros((batch_size, num_hiddens), device=device), )
下面的rnn函数定义了如何在一个时间步内计算隐状态和输出。 循环神经网络模型通过inputs最外层的维度实现循环， 以便逐时间步更新小批量数据的隐状态H。 此外，这里使用 tanh \tanh tanh函数作为激活函数。 当元素在实数上满足均匀分布时， tanh \tanh tanh函数的平均值为0。
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 = params
H, = state
outputs = []
# 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_q
outputs.append(Y)
return torch.cat(outputs, dim=0), (H,)
定义了所有需要的函数之后，接下来我们创建一个类来包装这些函数， 并存储从零开始实现的循环神经网络模型的参数。
class RNNModelScratch:
"""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_hiddens
self.params = get_params(vocab_size, num_hiddens, device)
self.init_state, self.forward_fn = init_state, forward_fn
def __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)
让我们检查输出是否具有正确的形状。 例如，隐状态的维数是否保持不变。
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)
Y.shape, len(new_state), new_state[0].shape
输出：
(torch.Size([10, 28]), 1, torch.Size([2, 512]))
我们可以看到输出形状是（时间步数×批量大小，词表大小）， 而隐状态形状保持不变，即（批量大小，隐藏单元数）。
4 预测
让我们首先定义预测函数来生成prefix之后的新字符， 其中的prefix是一个用户提供的包含多个字符的字符串。 在循环遍历prefix中的开始字符时， 我们不断地将隐状态传递到下一个时间步，但是不生成任何输出。 这被称为预热（warm-up）期， 因为在此期间模型会自我更新（例如，更新隐状态）， 但不会进行预测。 预热期结束后，隐状态的值通常比刚开始的初始值更适合预测， 从而预测字符并输出它们。
def predict_ch8(prefix, num_preds, net, vocab, device):
"""在prefix后面生成新字符"""
state = net.begin_state(batch_size=1, device=device)
outputs = [vocab[prefix[0]]]
get_input = lambda: torch.tensor([outputs[-1]], device=device).reshape((1, 1))
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(dim=1).reshape(1)))
return ''.join([vocab.idx_to_token[i] for i in outputs])
现在我们可以测试predict_ch8函数。 我们将前缀指定为time traveller， 并基于这个前缀生成10个后续字符。 鉴于我们还没有训练网络，它会生成荒谬的预测结果。
predict_ch8('time traveller ', 10, net, vocab, d2l.try_gpu())
输出：
'time traveller ehnfts cfm'
5 梯度裁剪
对于长度为 T T T的序列，我们在迭代中计算这 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。 如数值稳定性一节所述， 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。 因此，循环神经网络模型往往需要额外的方式来支持稳定训练。
一般来说，当解决优化问题时，我们对模型参数采用更新步骤。 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。 例如，使用 η > 0 \eta > 0 η>0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， 即函数在常数下是利普希茨连续的（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∥,
这意味着我们不会观察到超过 L η ∥ g ∥ L \eta \|\mathbf{g}\| Lη∥g∥的变化。 这既是坏事也是好事。 坏的方面，它限制了取得进展的速度； 好的方面，它限制了事情变糟的程度，尤其当我们朝着错误的方向前进时。
有时梯度可能很大，从而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。 但是如果我们很少得到大的梯度呢？ 在这种情况下，这种做法似乎毫无道理。 一个流行的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）的球来裁剪梯度 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.
通过这样做，我们知道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。 它还有一个值得拥有的副作用， 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。 梯度裁剪提供了一个快速修复梯度爆炸的方法， 虽然它并不能完全解决问题，但它是众多有效的技术之一。
下面我们定义一个函数来裁剪模型的梯度， 模型是从零开始实现的模型或由高级API构建的模型。 我们在此计算了所有模型参数的梯度的范数。
def grad_clipping(net, theta):
"""裁剪梯度"""
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
6 训练
在训练模型之前，让我们定义一个函数在一个迭代周期内训练模型。 它与我们训练 softmax模型的方式有三个不同之处：
- 1、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。
- 2、我们在更新模型参数之前裁剪梯度。 这样的操作的目的是：即使训练过程中某个点上发生了梯度爆炸，也能保证模型不会发散。
- 3、我们用困惑度来评价模型。这样的度量确保了不同长度的序列具有可比性。
具体来说，当使用顺序分区时， 我们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，因为每个样本都是在一个随机位置抽样的， 因此需要为每个迭代周期重新初始化隐状态。 与train_epoch_ch3函数相同， updater是更新模型参数的常用函数。 它既可以是从头开始实现的d2l.sgd函数， 也可以是深度学习框架中内置的优化函数。
def train_epoch_ch8(net, train_iter, loss, updater, device, use_random_iter):
"""训练网络一个迭代周期（定义见第8章）"""
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state
state = net.begin_state(batch_size=X.shape[0], device=device)
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_size=1)
metric.add(l * y.numel(), y.numel())
return math.exp(metric[0] / metric[1]), metric[1] / timer.stop()
循环神经网络模型的训练函数既支持从零开始实现， 也可以使用高级API来实现。
def train_ch8(net, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device,
use_random_iter=False):
"""训练模型（定义见第8章）"""
loss = nn.CrossEntropyLoss()
animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', ylabel='perplexity',
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'))
现在，我们训练循环神经网络模型。 因为我们在数据集中只使用了10000个词元， 所以模型需要更多的迭代周期来更好地收敛。
num_epochs, lr = 500, 1
train_ch8(net, train_iter, vocab, lr, num_epochs, d2l.try_gpu())
输出：
困惑度 1.0, 79122.0 词元/秒 cuda:0
time traveller with a slight accession ofcheerfulness really thi
travelleryou can show black is white by argument said filby
最后，让我们检查一下使用随机抽样方法的结果。
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_iter=True)
输出;
困惑度 1.4, 75593.4 词元/秒 cuda:0
time traveller smiled rou gannet of opracinbutway ohacknat difte
travellerit s against reason said filbywan a cube that does
7 小结
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我们可以训练一个基于循环神经网络的字符级语言模型，根据用户提供的文本的前缀生成后续文本。
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一个简单的循环神经网络语言模型包括输入编码、循环神经网络模型和输出生成。
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循环神经网络模型在训练以前需要初始化状态，不过随机抽样和顺序划分使用初始化方法不同。
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当使用顺序划分时，我们需要分离梯度以减少计算量。
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在进行任何预测之前，模型通过预热期进行自我更新（例如，获得比初始值更好的隐状态）。
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梯度裁剪可以防止梯度爆炸，但不能应对梯度消失。