%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)
F.one_hot(torch.tensor([0, 2]), len(vocab)) '''
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(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 '''
torch.Size([5, 2, 28]) '''
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。torch.randn()
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
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函数作为激活函数。 如多层感知机章节所述, 当元素在实数上满足均匀分布时,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)
''' 输出形状是(时间步数×批量大小,词表大小) '''
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 '''
(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)
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): #@save
""" 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())
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
def train_epoch_ch8(net, train_iter, loss, updater, device, use_random_iter):
""" 训练网络一个迭代周期 """
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 """
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())
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)
从零开始实现上述循环神经网络模型, 虽然有指导意义,但是并不方便。 在下一节中,我们将学习如何改进循环神经网络模型。 例如,如何使其实现地更容易,且运行速度更快。