[Pytorch系列-51]：循环神经网络RNN - torch.nn.RNN类的参数详解与代码示例

Posted 2021-12-19 文火冰糖的硅基工坊

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目录

第1章 RNN神经网络的理论基础

第2章 torch.nn.RNN类

2.1 原型

2.2 案例

2.3 解读

第3章 forward前向运算的输入与输出

3.1 输入输出原型

3.2 输入解读

3.3 输出解读

第4章 代码示例：Pytorch预定义RNN网络

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第1章 RNN神经网络的理论基础

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/121387285https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/121387285

第2章 torch.nn.RNN类

2.1 原型

2.2 案例

2.3 解读

（1）input_size：输入样本的向量长度

假如在NLP中，需要把一个单词输入到RNN中，而这个单词的向量化编码是300维的，那么这个input_size就是300。 input_size其实就是规定了输入样本的维度。用f(wX+b)来类比的话，这里输入的就是X的维度。

在上图案例中，input_size = 2。

（2）hidden_size：“时序”单元中隐藏层的输出特征的向量长度

在“时序”单元中，隐藏层可以输出多个属性，hidden_size就是定义了属性的size。

在上图案例中，hidden_size = 3。

 （3）num_layers: 隐藏层堆叠的层数

 在上图案例中，num_layers= 1。

（4）nonlinearity：定义激活函数

nonlinearity == 'tanh'或'relu':

（5）bias：是否需要偏置项

（6）batch_first：定义

定义了输入参数的形状，pytorch与Numpy的定义不同。

batch_first==True：               (batch, seq, feature)
batch_first==False（torch默认）： (seq, batch, feature)

torch之所以把seq放在最前面，这是因为在时序逻辑处理中，通常会优先批量读取多个序列数据。

（7）dropout: 是否需要dropout隐层的输出

在RNN单元串联或堆叠的网络中，会出现梯度消失或梯度爆炸的情形。通过随机的dropout一些隐层的输出，可以降低梯度消失的情形。

（8）bidirectional：是否为双向RNN网络

 双向网络中，两个方向上，各自有独立的权重矩阵和状态张量。

第3章 forward前向运算的输入与输出

3.1 输入输出原型

3.2 输入解读

• input：用于存放输入样本的张量，张量的形状如下：

math:`(L, N, H_in)` when ``batch_first=False`` or :

math:`(N, L, H_in)` when ``batch_first=True`

N：batch size， 一次可以送个一个batch的数据，batch size描述的可以同时并行输入的序列串的个数。
L：sequence length，连续多个输入样本，一次性送入RNN网络或foward函数中，RNN会依次输出sequence length批次的输出。sequence length可以串行输入序列的个数。
H_in ：input_size
H_out ：hidden_size

• h_o： 用于存放RNN初始的隐藏状态，通常为上一时刻预测时隐层状态的输出，如果没有上一时刻，这设置全0.

3.3 输出解读

• output：RNN网络的输出
• h_n：    RNN网络隐层的输出

 

 hn就是RNN的最后一个隐含状态。

第4章 代码示例：Pytorch预定义RNN网络

（1）环境准备

#环境准备
import numpy as np              # numpy数组库
import math                     # 数学运算库
import matplotlib.pyplot as plt # 画图库
import time as time

import torch             # torch基础库
import torch.nn as nn    # torch神经网络库
import torch.nn.functional as F
from torch.autograd import Variable

import torchnlp
from torchnlp.word_to_vector import GloVe
# from torchnlp.word_to_vector import Glove

print("Hello World")
print(torch.__version__)
print(torch.cuda.is_available())
print(torch.version.cuda)
print(torch.backends.cudnn.version())

Hello World
1.10.0
True
10.2
7605

（2）定义一个序列化输入

# 定义输入序列的长度
seq_len = 3

#定义batch的长度
batch_size = 1

# input_size: 输入特征的数量/维
input_size  = 2

# 定义输入样本
input = torch.randn(seq_len, batch_size, input_size)
print(input.shape)
print(input)

torch.Size([3, 1, 2])
tensor([[[-0.1100,  0.7480]],

        [[-0.0672, -1.2424]],

        [[ 0.1957,  0.4846]]])

备注：

输入是一个样本输入特征的长度为2， 样本的序列化串的长度为3。因此输入shape=3*2。

比如文本：“I love you”，就 是一个序列，由三个单词组成，不管单词由多少个字母组成，每个单词被编码成一个长度=2的向量。

（3）定义RNN网络

# 定义RNN网络
# input_size: 输入特征的数量/维

# hidden_size（横向）：隐藏层的size（不是层数），即输出序列的长度，也是输入序列的长度
hidden_size = 3
# num_layers （纵向）： 隐藏层的堆叠层数
num_layers = 1

# 定义H0的状态
h0 = torch.zeros(num_layers, batch_size, hidden_size) 
print(h0.shape)

torch.Size([1, 1, 3])

备注：用于保存隐藏层状态的张量，其shape，取决于RNN网络的结构。

在这里，RNN网络为单层，即num_layers = 1，每一层提取的隐藏层特征为3，即hidden_size = 3

因此，隐藏层的特征输出为1 * 3， 加上batch就是1 * 1 * 3

注意的是：在这里，batch number是放在中间，网络的层数是放在首位的。

# 定义卷积神经网络
rnn = torch.nn.RNN(input_size= input_size, hidden_size = hidden_size, num_layers = num_layers, bias=True, bidirectional=False)
print(rnn) 

#显示神经网络的参数
# 备注：
# 输入权重矩阵weight_hh_l0是 hidden_size * input_size ？ 不是说权重共享的吗？
# 隐层权重矩阵weight_hh_l0是 hidden_size * hidden_size ？

print(rnn.parameters)
for key, value in rnn.state_dict().items():
    print(key)
    print(value)

RNN(2, 3)
<bound method Module.parameters of RNN(2, 3)>
weight_ih_l0
tensor([[-0.2329, -0.3762],
        [-0.2569, -0.3311],
        [-0.4779,  0.2690]])
weight_hh_l0
tensor([[ 0.1738, -0.4826,  0.2800],
        [-0.5386, -0.0141, -0.2643],
        [ 0.5265,  0.1451, -0.1797]])
bias_ih_l0
tensor([ 0.1088, -0.0520,  0.0557])
bias_hh_l0
tensor([-0.1980, -0.3961, -0.2472])

备注：

ih：输入到隐藏层的权重矩阵=2 * 3， 这是因为这里定义的隐藏层的输入特征=2， 输出特征为3.

hh：隐藏状态到隐藏层的权重矩阵=3 * 3， 这是因为这里定义的隐藏层的状态特征=3， 输出特征为3，他们比如是相等的。

（4）网络输出：单输入，单输出

# 单个单词输入
# 0输出矩阵 = seq_len *  hidden_size，
# h输出矩阵 =    1    *  hidden_size 
input_single = input[0]
input_single = input_single.reshape(1, batch_size, input_size)

output, h = rnn(input_single, h0)

print("input：单输入")
print(input_single.shape)
print(input_single)

print("\\noutput：单输出")
print(output.shape)
print(output)



# h是最后的输出
print("\\nhiden:隐藏状态输出")
print(h.shape)
print(h)

input：单输入
torch.Size([1, 1, 2])
tensor([[[0.0749, 0.5568]]])

output：单输出
torch.Size([1, 1, 3])
tensor([[[-0.3060, -0.5728, -0.0773]]], grad_fn=<StackBackward0>)

hiden:隐藏状态输出
torch.Size([1, 1, 3])
tensor([[[-0.3060, -0.5728, -0.0773]]], grad_fn=<StackBackward0>)

（4）网络输出：序列输入，序列输出

# 序列输入（多个单词组成序列）
# 0输出矩阵 = seq_len *  hidden_size，
# h输出矩阵 =    1    *  hidden_size 
print("input：序列输入")
print(input.shape)
print(input)

output, h = rnn(input, h0)
print("\\noutput：序列输出")
print(output.shape)
print(output)

# h是最后的输出
print("\\nhiden:隐藏状态输出")
print(h.shape)
print(h)

input：序列输入
torch.Size([3, 1, 2])
tensor([[[ 0.0749,  0.5568]],

        [[ 0.2010, -0.1058]],

        [[-1.7882,  1.2671]]])

output：序列输出
torch.Size([3, 1, 3])
tensor([[[-0.3060, -0.5728, -0.0773]],

        [[ 0.1050, -0.2649, -0.4977]],

        [[-0.1418, -0.3181,  0.8042]]], grad_fn=<StackBackward0>)

hiden:隐藏状态输出
torch.Size([1, 1, 3])
tensor([[[-0.1418, -0.3181,  0.8042]]], grad_fn=<StackBackward0>)

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