《动手学深度学习(PyTorch版)》笔记8.4
注：书中对代码的讲解并不详细，本文对很多细节做了详细注释。另外，书上的源代码是在Jupyter Notebook上运行的，较为分散，本文将代码集中起来，并加以完善，全部用vscode在python 3.9.18下测试通过，同时对于书上部分章节也做了整合。
Chapter8 Recurrent Neural Networks
8.4 Recurrent Neural Networks
对 n n n元语法模型，单词 x t x_t xt在时间步 t t t的条件概率仅取决于前面 n − 1 n-1 n−1个单词。对于时间步 t − ( n − 1 ) t-(n-1) t−(n−1)之前的单词，如果我们想将其可能产生的影响合并到 x t x_t xt上，需要增加 n n n，然而模型参数的数量也会随之呈指数增长，因为词表 V \mathcal{V} V需要存储 ∣ V ∣ n |\mathcal{V}|^n ∣V∣n个数字（每个可能的序列对应一个概率值），因此不如使用隐变量模型：
P ( x t ∣ x t − 1 , … , x 1 ) ≈ P ( x t ∣ h t − 1 ) , P(x_t \mid x_{t-1}, \ldots, x_1) \approx P(x_t \mid h_{t-1}), P(xt∣xt−1,…,x1)≈P(xt∣ht−1),
其中 h t − 1 h_{t-1} ht−1是隐状态（hidden state），也称为隐藏变量（hidden variable），它存储了到时间步 t − 1 t-1 t−1的序列信息。通常，我们可以基于当前输入 x t x_{t} xt和先前隐状态 h t − 1 h_{t-1} ht−1来计算时间步 t t t处的任何时间的隐状态：
h t = f ( x t , h t − 1 ) . h_t = f(x_{t}, h_{t-1}). ht=f(xt,ht−1).
对于上式中的函数 f f f，隐变量模型可以不是近似值，因为 h t h_t ht可以存储到目前为止观察到的所有数据，然而这样的操作可能会使计算和存储的代价都变得昂贵。值得注意的是，隐藏层和隐状态是两个不同的概念，隐藏层是在从输入到输出的路径上（以观测角度来理解）的隐藏的层，而隐状态则是在给定步骤所做的任何事情（以技术角度来定义）的输入，并且这些状态只能通过先前时间步的数据来计算。
8.4.1 Neural Networks without Hidden States
对只有单隐藏层的多层感知机，设隐藏层的激活函数为 ϕ \phi ϕ，给定一个小批量样本 X ∈ R n × d \mathbf{X} \in \mathbb{R}^{n \times d} X∈Rn×d，其中批量大小为 n n n，输入维度为 d d d，则隐藏层的输出 H ∈ R n × h \mathbf{H} \in \mathbb{R}^{n \times h} H∈Rn×h通过下式计算：
H = ϕ ( X W x h + b h ) . \mathbf{H} = \phi(\mathbf{X} \mathbf{W}_{xh} + \mathbf{b}_h). H=ϕ(XWxh+bh).
输出层由下式给出：
O = H W h q + b q , \mathbf{O} = \mathbf{H} \mathbf{W}_{hq} + \mathbf{b}_q, O=HWhq+bq,
8.4.2 RNN with Hidden States
假设我们在时间步 t t t有小批量输入 X t ∈ R n × d \mathbf{X}_t \in \mathbb{R}^{n \times d} Xt∈Rn×d，换言之，对于 n n n个序列样本的小批量， X t \mathbf{X}_t Xt的每一行对应于来自该序列的时间步 t t t处的一个样本。用 H t ∈ R n × h \mathbf{H}_t \in \mathbb{R}^{n \times h} Ht∈Rn×h表示时间步 t t t的隐藏变量，计算公式如下：
H t = ϕ ( X t W x h + H t − 1 W h h + b h ) . (1) \mathbf{H}_t = \phi(\mathbf{X}_t \mathbf{W}_{xh} + \mathbf{H}_{t-1} \mathbf{W}_{hh} + \mathbf{b}_h).\tag{1} Ht=ϕ(XtWxh+Ht−1Whh+bh).(1)
由于在当前时间步中，隐状态使用的定义与前一个时间步中使用的定义相同，因此称式(1)的计算是循环的（recurrent），基于循环计算的隐状态神经网络称为循环神经网络（recurrent neural network），在循环神经网络中执行循环计算的层称为循环层（recurrent layer）。对于时间步 t t t，输出层的输出类似于多层感知机中的计算：
O t = H t W h q + b q . \mathbf{O}_t = \mathbf{H}_t \mathbf{W}_{hq} + \mathbf{b}_q. Ot=HtWhq+bq.
循环神经网络的参数包括隐藏层的权重 W x h ∈ R d × h , W h h ∈ R h × h \mathbf{W}_{xh} \in \mathbb{R}^{d \times h}, \mathbf{W}_{hh} \in \mathbb{R}^{h \times h} Wxh∈Rd×h,Whh∈Rh×h和偏置 b h ∈ R 1 × h \mathbf{b}_h \in \mathbb{R}^{1 \times h} bh∈R1×h，以及输出层的权重 W h q ∈ R h × q \mathbf{W}_{hq} \in \mathbb{R}^{h \times q} Whq∈Rh×q和偏置 b q ∈ R 1 × q \mathbf{b}_q \in \mathbb{R}^{1 \times q} bq∈R1×q。值得一提的是，即使在不同的时间步，循环神经网络也总是使用这些模型参数，因此循环神经网络的参数开销不会随着时间步的增加而增加。
下图展示了循环神经网络在三个相邻时间步的计算逻辑。
import torch
from d2l import torch as d2l
#循环计算（部分）的两种计算方法
X, W_xh = torch.normal(0, 1, (3, 1)), torch.normal(0, 1, (1, 4))
H, W_hh = torch.normal(0, 1, (3, 4)), torch.normal(0, 1, (4, 4))
torch.matmul(X, W_xh) + torch.matmul(H, W_hh)
torch.matmul(torch.cat((X, H), 1), torch.cat((W_xh, W_hh), 0))
8.4.3 Character-Level Language Models Based on RNN
接下来介绍如何使用循环神经网络来构建语言模型。设小批量大小为1，批量中的文本序列为"machine"。为了简化后续部分的训练，考虑使用字符级语言模型（character-level language model），将文本词元化为字符而不是单词。下图演示了如何通过基于字符级语言建模的循环神经网络，使用当前的和先前的字符预测下一个字符。
在实践中，我们使用的批量大小为 n > 1 n>1 n>1，每个词元都由一个 d d d维向量表示。因此，在时间步 t t t输入 X t \mathbf X_t Xt将是一个 n × d n\times d n×d矩阵。
8.4.4 Perplexity
我们可以通过计算序列的似然概率来度量模型的质量，然而这难以理解、难以比较，因为较短的序列比较长的序列更有可能出现。为了解决这个问题，我们可以运用信息论。如果想要压缩文本，我们可以根据当前词元集预测的下一个词元。一个更好的语言模型应该能让我们更准确地预测下一个词元，即它应该允许我们在压缩序列时花费更少的比特，所以我们可以通过一个序列中所有的 n n n个词元的交叉熵损失的平均值来衡量模型的质量：
1 n ∑ t = 1 n − log P ( x t ∣ x t − 1 , … , x 1 ) \frac{1}{n} \sum_{t=1}^n -\log P(x_t \mid x_{t-1}, \ldots, x_1) n1t=1∑n−logP(xt∣xt−1,…,x1)
其中 P P P由语言模型给出， x t x_t xt是在时间步 t t t从该序列中观察到的实际词元。这使得不同长度的文档的性能具有了可比性。困惑度（perplexity）是上式的指数：
exp ( − 1 n ∑ t = 1 n log P ( x t ∣ x t − 1 , … , x 1 ) ) . \exp\left(-\frac{1}{n} \sum_{t=1}^n \log P(x_t \mid x_{t-1}, \ldots, x_1)\right). exp(−n1t=1∑nlogP(xt∣xt−1,…,x1)).
困惑度的最好的理解是“下一个词元的实际选择数的调和平均数”。
- 在最好的情况下，模型总是完美地估计标签词元的概率为1。在这种情况下，模型的困惑度为1。
- 在最坏的情况下，模型总是预测标签词元的概率为0。在这种情况下，困惑度是正无穷大。
- 在基线上，该模型的预测是词表的所有可用词元上的均匀分布。在这种情况下，困惑度等于词表中唯一词元的数量。事实上，如果我们在没有任何压缩的情况下存储序列，这将是我们能做的最好的编码方式。因此，这种方式提供了一个重要的上限，而任何实际模型都必须超越这个上限。