深度学习 LSTM长短期记忆网络原理与Pytorch手写数字识别

一、前言

基本的RNN存在梯度消失和梯度爆炸问题，会忘记它在较长序列中以前看到的内容，只具有短时记忆。得到比较广泛应用的是LSTM（Long Short Term Memory）——长短期记忆网络，它在一定程度上解决了这两个问题。

二、网络结构

我们来看一下LSTM网络的结构图：

咱们放大看看，由于网上找不到清晰版的示例图，亲绘了一幅：

LSTM包含遗忘门、输入门、输出门。分别用于LSTM的三个步骤：旧记忆的遗忘、新记忆的输入、最终结果的输出。

三、可解释性

为什么要这么设计LSTM网络呢？我们打个比方：

小明上次考了数学，留下的大部分是数学的知识记忆$C_{t-1}$；这次考生物，一些数学知识用不到，部分复杂的公式自然而然地被遗忘了$f_t\odot C_{t-1}$；复习生物知识一本书${\tilde{C}}_t$，大概记得八成 $i_t\odot {\tilde{C}}_t$，那么当前的记忆$C_t=f_t\odot C_{t-1}+i_t\odot {\tilde{C}}_t$；考试时，成绩受到考题和当前记忆$C_t$的影响$h_t=O_t\odot \tanh C_t$。

注：$\odot$是矩阵的点乘符号，即两个矩阵对应元素相乘

四、记忆主线

如上图所示，原有记忆是$C_{t-1}$，经过遗忘（用矩阵参数进行点乘）、添加新记忆（加上新的记忆矩阵），当前最新的记忆就变成了$C_t$，如此循环，不重要的记忆就会忘记、重要的记忆就会一直流传下去。

五、遗忘门

第一步，我们会遗忘部分原有的记忆。

如上图所示，$$f_t=\sigma (W_{xf}{x}_t+W_{hf}{h}_{t-1}+b_f)$$
$\sigma$代表sigmoid函数。原有记忆是$C_{t-1}$，遗忘后为 $f_t\odot C_{t-1}$

六、输入门

第二步，我们会新增部分新的记忆。我们要确定，哪些新信息要保留到记忆细胞里。

如上图所示，
$$\begin{array}{rl}{\tilde{C}}_t& =tanh(W_{xc}{x}_t+W_{hc}{h}_{t-1}+b_c)\\ i_t& =\sigma (W_{xi}{x}_t+W_{hi}{h}_{t-1}+b_i)\end{array}$$

${\tilde{C}}_t$表示所有的输入信息，但我们不是所有的都记得，$i_t$控制记忆程度，$i_t\odot {\tilde{C}}_t$是本次输入所记住的信息。
遗忘后的记忆是 $f_t\odot C_{t-1}$，输入新的记忆后，$C_t=f_t\odot C_{t-1}+i_t\odot {\tilde{C}}_t$

七、输出门

第三步，我们要根据现有记忆$C_t$，输出我们需要的内容。

如上图所示，
$$\begin{array}{rl}{O}_t& =\sigma (W_{xo}{x}_t+W_{ho}{h}_{t-1}+b_o)\\ h_t& =O_t\odot \tanh (C_t)\end{array}$$

这就是LSTM网络的思想原理，接下来我们将用于手写数字识别实战。

八、手写数字识别实战

8.1 引入依赖库

import torch
import torch.nn as nn
from torchvision import datasets,transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt

8.2 加载数据

train_data = datasets.MNIST(root="./data",train=True,transform=transforms.ToTensor(),download=False)
batch_size=64

train_loader = DataLoader(train_data,batch_size=batch_size,shuffle=True)

test_data = datasets.MNIST(root="./data",train=False,transform=transforms.ToTensor(),download=False)
test_x = test_data.data.type(torch.FloatTensor)[:2000]/255.   #取2000个样本数据并将其缩放为0~1范围
test_y = test_data.targets[:2000]

print(train_data.data.shape)

torch.Size([60000, 28, 28])

8.3 迭代训练

#迭代次数
epochs=1

#学习率
learning_rate=0.01

plt_epoch=[]
plt_loss=[]

class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()

        self.rnn = nn.LSTM(     # LSTM 效果要比 nn.RNN() 好多了
            input_size=28,      # 图片每行的数据像素点
            hidden_size=64,     # rnn hidden unit
            num_layers=1,       # 有几层 RNN layers
            batch_first=True,   # input & output 会是以 batch size 为第一维度的特征集 e.g. (batch, time_step, input_size)
        )

        self.out = nn.Linear(64, 10)    # 输出层

    def forward(self, x):
        # x shape (batch, time_step, input_size)
        # r_out shape (batch, time_step, output_size)
        # h_n shape (n_layers, batch, hidden_size)   LSTM 有两个 hidden states, h_n 是分线, h_c 是主线
        # h_c shape (n_layers, batch, hidden_size)
        r_out, (h_n, h_c) = self.rnn(x, None)   # None 表示 hidden state 会用全0的 state

        # 选取最后一个时间点的 r_out 输出
        # 这里 r_out[:, -1, :] 的值也是 h_n 的值
        out = self.out(r_out[:, -1, :])
        return out

model = MyModel()

#损失函数
cost=nn.CrossEntropyLoss()
#迭代优化器
optmizer=torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=learning_rate)

for epoch in range(epochs):

    for step, (images, labels) in enumerate(train_loader):

        images=images.view(-1,28,28)

        #预测结果
        output=model(images) #调用__call__函数

        #计算损失值
        loss=cost(output,labels)

        #在反向传播前先把梯度清零
        optmizer.zero_grad()

        #反向传播,计算各参数对于损失loss的梯度
        loss.backward()

        #根据刚刚反向传播得到的梯度更新模型参数
        optmizer.step()
    
        plt_epoch.append(step+1)
        plt_loss.append(loss.item())
        
        #打印损失值
        if step % 50 == 0:
            pred_y = model(test_x)
            pred_y=pred_y.argmax(dim=1) #返回最大值的下标
            print(f"step:{step},loss:{loss.item():.4f},accuracy: {(torch.sum(pred_y == test_y)/test_y.size()[0]) * 100:.2f}%")


# 保存模型
torch.save(model, 'LSTM_Digits.pt')

#绘制迭代次数与损失函数的关系
plt.plot(plt_epoch,plt_loss)

step:0,loss:2.3081,accuracy: 8.75%
step:50,loss:1.0913,accuracy: 59.40%
step:100,loss:0.7879,accuracy: 70.30%
step:150,loss:0.7618,accuracy: 73.75%
step:200,loss:0.4271,accuracy: 86.70%
step:250,loss:0.3963,accuracy: 90.65%
step:300,loss:0.2965,accuracy: 91.85%
step:350,loss:0.3396,accuracy: 94.15%
step:400,loss:0.2283,accuracy: 92.30%
step:450,loss:0.4932,accuracy: 94.05%
step:500,loss:0.2487,accuracy: 93.25%
step:550,loss:0.1460,accuracy: 94.20%
step:600,loss:0.1908,accuracy: 94.70%
step:650,loss:0.1521,accuracy: 92.35%
step:700,loss:0.1530,accuracy: 94.80%
step:750,loss:0.1192,accuracy: 94.65%
step:800,loss:0.0478,accuracy: 95.30%
step:850,loss:0.0535,accuracy: 95.70%
step:900,loss:0.1174,accuracy: 95.45%

8.4 数据验证

#加载模型
model=torch.load('LSTM_Digits.pt')

#预测结果
pred_y=model(test_x)
#计算损失值
loss=cost(pred_y,test_y)

print('loss:',loss.detach().item())

pred_y=pred_y.argmax(dim=1) #返回最大值的下标
print(f"准确率: {(torch.sum(pred_y == test_y)/test_y.size()[0]) * 100}%")

# 打印10个预测结果
pred_y = model(test_x[:10].view(-1, 28, 28))
pred_y=pred_y.argmax(dim=1) #返回最大值的下标
print('预测数字',pred_y)
print( '真实数字',test_y[:10])

loss: 0.11265470087528229
准确率: 96.45000457763672%
预测数字 tensor([7, 2, 1, 0, 4, 1, 4, 9, 5, 9])
真实数字 tensor([7, 2, 1, 0, 4, 1, 4, 9, 5, 9])

九、参考资料

《如何从RNN起步，一步一步通俗理解LSTM》
《大白话讲解LSTM长短期记忆网络 如何缓解梯度消失，手把手公式推导反向传播》
《Understanding LSTM Networks》
《【Pytorch教程】：RNN 循环神经网络 (分类)》