学习笔记CB012: LSTM 简单实现、完整实现、torch、小说训练word2vec lstm机器人
摘要:?真正掌握一種算法,最實際的方法,完全手寫出來。 LSTM(Long Short Tem Memory)特殊遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),神經(jīng)元保存歷史記憶,解決自然語言處理統(tǒng)計方法只能考慮最近n個詞語而忽略更久前詞語的問題。
真正掌握一種算法,最實際的方法,完全手寫出來。
LSTM(Long Short Tem Memory)特殊遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),神經(jīng)元保存歷史記憶,解決自然語言處理統(tǒng)計方法只能考慮最近n個詞語而忽略更久前詞語的問題。用途:word representation(embedding)(詞語向量)、sequence to sequence learning(輸入句子預測句子)、機器翻譯、語音識別等。
100多行原始python代碼實現(xiàn)基于LSTM二進制加法器。https://iamtrask.github.io/2015/11/15/anyone-can-code-lstm/?,翻譯http://blog.csdn.net/zzukun/article/details/49968129?:
import copy, numpy as np np.random.seed(0)最開始引入numpy庫,矩陣操作。
def sigmoid(x):output = 1/(1+np.exp(-x))return output聲明sigmoid激活函數(shù),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)內(nèi)容,常用激活函數(shù)sigmoid、tan、relu等,sigmoid取值范圍[0, 1],tan取值范圍[-1,1],x是向量,返回output是向量。
def sigmoid_output_to_derivative(output):return output*(1-output)聲明sigmoid求導函數(shù)。
加法器思路:二進制加法是二進制位相加,記錄滿二進一進位,訓練時隨機c=a+b樣本,輸入a、b輸出c是整個lstm預測過程,訓練由a、b二進制向c各種轉(zhuǎn)換矩陣和權(quán)重,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
聲明詞典,由整型數(shù)字轉(zhuǎn)成二進制,存起來不用隨時計算,提前存好讀取更快。
binary_dim = 8largest_number = pow(2,binary_dim)
聲明二進制數(shù)字維度,8,二進制能表達最大整數(shù)2^8=256,largest_number。
預先把整數(shù)到二進制轉(zhuǎn)換詞典存起來。
alpha = 0.1 input_dim = 2 hidden_dim = 16 output_dim = 1設(shè)置參數(shù),alpha是學習速度,input_dim是輸入層向量維度,輸入a、b兩個數(shù),是2,hidden_dim是隱藏層向量維度,隱藏層神經(jīng)元個數(shù),output_dim是輸出層向量維度,輸出一個c,是1維。從輸入層到隱藏層權(quán)重矩陣是216維,從隱藏層到輸出層權(quán)重矩陣是161維,隱藏層到隱藏層權(quán)重矩陣是16*16維:
synapse_0 = 2*np.random.random((input_dim,hidden_dim)) - 1 synapse_1 = 2*np.random.random((hidden_dim,output_dim)) - 1 synapse_h = 2*np.random.random((hidden_dim,hidden_dim)) - 12x-1,np.random.random生成從0到1之間隨機浮點數(shù),2x-1使其取值范圍在[-1, 1]。
synapse_0_update = np.zeros_like(synapse_0) synapse_1_update = np.zeros_like(synapse_1) synapse_h_update = np.zeros_like(synapse_h)聲明三個矩陣更新,Delta。
for j in range(10000):進行10000次迭代。
a_int = np.random.randint(largest_number/2) a = int2binary[a_int] b_int = np.random.randint(largest_number/2) b = int2binary[b_int] c_int = a_int + b_int c = int2binary[c_int]隨機生成樣本,包含二進制a、b、c,c=a+b,a_int、b_int、c_int分別是a、b、c對應整數(shù)格式。
d = np.zeros_like(c)d存模型對c預測值。
overallError = 0全局誤差,觀察模型效果。
layer_2_deltas = list()
存儲第二層(輸出層)殘差,輸出層殘差計算公式推導公式http://deeplearning.stanford.edu/wiki/index.php/%E5%8F%8D%E5%90%91%E4%BC%A0%E5%AF%BC%E7%AE%97%E6%B3%95?。
存儲第一層(隱藏層)輸出值,賦0值作為上一個時間值。
for position in range(binary_dim):遍歷二進制每一位。
X = np.array([[a[binary_dim - position - 1],b[binary_dim - position - 1]]]) y = np.array([[c[binary_dim - position - 1]]]).TX和y分別是樣本輸入和輸出二進制值第position位,X對于每個樣本有兩個值,分別是a和b對應第position位。把樣本拆成每個二進制位用于訓練,二進制加法存在進位標記正好適合利用LSTM長短期記憶訓練,每個樣本8個二進制位是一個時間序列。
layer_1 = sigmoid(np.dot(X,synapse_0) + np.dot(layer_1_values[-1],synapse_h))公式Ct = sigma(W0·Xt + Wh·Ct-1)
layer_2 = sigmoid(np.dot(layer_1,synapse_1))這里使用的公式是C2 = sigma(W1·C1),
layer_2_error = y - layer_2計算預測值和真實值誤差。
layer_2_deltas.append((layer_2_error)*sigmoid_output_to_derivative(layer_2))反向傳導,計算delta,添加到數(shù)組layer_2_deltas
overallError += np.abs(layer_2_error[0])計算累加總誤差,用于展示和觀察。
d[binary_dim - position - 1] = np.round(layer_2[0][0])存儲預測position位輸出值。
layer_1_values.append(copy.deepcopy(layer_1))存儲中間過程生成隱藏層值。
future_layer_1_delta = np.zeros(hidden_dim)存儲下一個時間周期隱藏層歷史記憶值,先賦一個空值。
for position in range(binary_dim):遍歷二進制每一位。
X = np.array([[a[position],b[position]]])取出X值,從大位開始更新,反向傳導按時序逆著一級一級更新。
layer_1 = layer_1_values[-position-1]取出位對應隱藏層輸出。
prev_layer_1 = layer_1_values[-position-2]取出位對應隱藏層上一時序輸出。
layer_2_delta = layer_2_deltas[-position-1]取出位對應輸出層delta。
layer_1_delta = (future_layer_1_delta.dot(synapse_h.T) + layer_2_delta.dot(synapse_1.T)) * sigmoid_output_to_derivative(layer_1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳導公式,加上隱藏層?值。
synapse_1_update += np.atleast_2d(layer_1).T.dot(layer_2_delta)累加權(quán)重矩陣更新,對權(quán)重(權(quán)重矩陣)偏導等于本層輸出與下一層delta點乘。
synapse_h_update += np.atleast_2d(prev_layer_1).T.dot(layer_1_delta)前一時序隱藏層權(quán)重矩陣更新,前一時序隱藏層輸出與本時序delta點乘。
synapse_0_update += X.T.dot(layer_1_delta)輸入層權(quán)重矩陣更新。
future_layer_1_delta = layer_1_delta記錄本時序隱藏層delta。
synapse_0 += synapse_0_update * alpha synapse_1 += synapse_1_update * alpha synapse_h += synapse_h_update * alpha權(quán)重矩陣更新。
synapse_0_update *= 0 synapse_1_update *= 0 synapse_h_update *= 0更新變量歸零。
if(j % 1000 == 0):print "Error:" + str(overallError)print "Pred:" + str(d)print "True:" + str(c)out = 0for index,x in enumerate(reversed(d)):out += x*pow(2,index)print str(a_int) + " + " + str(b_int) + " = " + str(out)print "------------"每訓練1000個樣本輸出總誤差信息,運行時看收斂過程。
LSTM最簡單實現(xiàn),沒有考慮偏置變量,只有兩個神經(jīng)元。
完整LSTM python實現(xiàn)。完全參照論文great intro paper實現(xiàn),代碼來源https://github.com/nicodjimenez/lstm?,作者解釋http://nicodjimenez.github.io/2014/08/08/lstm.html?,具體過程參考http://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/?圖。
import random import numpy as np import mathdef sigmoid(x):return 1. / (1 + np.exp(-x))聲明sigmoid函數(shù)。
def rand_arr(a, b, *args):np.random.seed(0)return np.random.rand(*args) * (b - a) + a生成隨機矩陣,取值范圍[a,b),shape用args指定。
class LstmParam:def __init__(self, mem_cell_ct, x_dim):self.mem_cell_ct = mem_cell_ctself.x_dim = x_dimconcat_len = x_dim + mem_cell_ct# weight matricesself.wg = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct, concat_len)self.wi = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct, concat_len)self.wf = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct, concat_len)self.wo = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct, concat_len)# bias termsself.bg = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct)self.bi = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct)self.bf = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct)self.bo = rand_arr(-0.1, 0.1, mem_cell_ct)# diffs (derivative of loss function w.r.t. all parameters)self.wg_diff = np.zeros((mem_cell_ct, concat_len))self.wi_diff = np.zeros((mem_cell_ct, concat_len))self.wf_diff = np.zeros((mem_cell_ct, concat_len))self.wo_diff = np.zeros((mem_cell_ct, concat_len))self.bg_diff = np.zeros(mem_cell_ct)self.bi_diff = np.zeros(mem_cell_ct)self.bf_diff = np.zeros(mem_cell_ct)self.bo_diff = np.zeros(mem_cell_ct)LstmParam類傳遞參數(shù),mem_cell_ct是lstm神經(jīng)元數(shù)目,x_dim是輸入數(shù)據(jù)維度,concat_len是mem_cell_ct與x_dim長度和,wg是輸入節(jié)點權(quán)重矩陣,wi是輸入門權(quán)重矩陣,wf是忘記門權(quán)重矩陣,wo是輸出門權(quán)重矩陣,bg、bi、bf、bo分別是輸入節(jié)點、輸入門、忘記門、輸出門偏置,wg_diff、wi_diff、wf_diff、wo_diff分別是輸入節(jié)點、輸入門、忘記門、輸出門權(quán)重損失,bg_diff、bi_diff、bf_diff、bo_diff分別是輸入節(jié)點、輸入門、忘記門、輸出門偏置損失,初始化按照矩陣維度初始化,損失矩陣歸零。
def apply_diff(self, lr = 1):self.wg -= lr * self.wg_diffself.wi -= lr * self.wi_diffself.wf -= lr * self.wf_diffself.wo -= lr * self.wo_diffself.bg -= lr * self.bg_diffself.bi -= lr * self.bi_diffself.bf -= lr * self.bf_diffself.bo -= lr * self.bo_diff# reset diffs to zeroself.wg_diff = np.zeros_like(self.wg)self.wi_diff = np.zeros_like(self.wi)self.wf_diff = np.zeros_like(self.wf)self.wo_diff = np.zeros_like(self.wo)self.bg_diff = np.zeros_like(self.bg)self.bi_diff = np.zeros_like(self.bi)self.bf_diff = np.zeros_like(self.bf)self.bo_diff = np.zeros_like(self.bo)定義權(quán)重更新過程,先減損失,再把損失矩陣歸零。
class LstmState:def __init__(self, mem_cell_ct, x_dim):self.g = np.zeros(mem_cell_ct)self.i = np.zeros(mem_cell_ct)self.f = np.zeros(mem_cell_ct)self.o = np.zeros(mem_cell_ct)self.s = np.zeros(mem_cell_ct)self.h = np.zeros(mem_cell_ct)self.bottom_diff_h = np.zeros_like(self.h)self.bottom_diff_s = np.zeros_like(self.s)self.bottom_diff_x = np.zeros(x_dim)LstmState存儲LSTM神經(jīng)元狀態(tài),包括g、i、f、o、s、h,s是內(nèi)部狀態(tài)矩陣(記憶),h是隱藏層神經(jīng)元輸出矩陣。
class LstmNode:def __init__(self, lstm_param, lstm_state):# store reference to parameters and to activationsself.state = lstm_stateself.param = lstm_param# non-recurrent input to nodeself.x = None# non-recurrent input concatenated with recurrent inputself.xc = NoneLstmNode對應樣本輸入,x是輸入樣本x,xc是用hstack把x和遞歸輸入節(jié)點拼接矩陣(hstack是橫拼矩陣,vstack是縱拼矩陣)。
def bottom_data_is(self, x, s_prev = None, h_prev = None):# if this is the first lstm node in the networkif s_prev == None: s_prev = np.zeros_like(self.state.s)if h_prev == None: h_prev = np.zeros_like(self.state.h)# save data for use in backpropself.s_prev = s_prevself.h_prev = h_prev# concatenate x(t) and h(t-1)xc = np.hstack((x, h_prev))self.state.g = np.tanh(np.dot(self.param.wg, xc) + self.param.bg)self.state.i = sigmoid(np.dot(self.param.wi, xc) + self.param.bi)self.state.f = sigmoid(np.dot(self.param.wf, xc) + self.param.bf)self.state.o = sigmoid(np.dot(self.param.wo, xc) + self.param.bo)self.state.s = self.state.g * self.state.i + s_prev * self.state.fself.state.h = self.state.s * self.state.oself.x = xself.xc = xcbottom和top是兩個方向,輸入樣本從底部輸入,反向傳導從頂部向底部傳導,bottom_data_is是輸入樣本過程,把x和先前輸入拼接成矩陣,用公式wx+b分別計算g、i、f、o值,激活函數(shù)tanh和sigmoid。
每個時序神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有四個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層(激活函數(shù)),最左邊忘記門,直接生效到記憶C,第二個輸入門,依賴輸入樣本數(shù)據(jù),按照一定“比例”影響記憶C,“比例”通過第三個層(tanh)實現(xiàn),取值范圍是[-1,1]可以正向影響也可以負向影響,最后一個輸出門,每一時序產(chǎn)生輸出既依賴輸入樣本x和上一時序輸出,還依賴記憶C,設(shè)計模仿生物神經(jīng)元記憶功能。
反向傳導,整個訓練過程核心。假設(shè)在t時刻lstm輸出預測值h(t),實際輸出值是y(t),之間差別是損失,假設(shè)損失函數(shù)為l(t) = f(h(t), y(t)) = ||h(t) - y(t)||^2,歐式距離,整體損失函數(shù)是L(t) = ∑l(t),t從1到T,T表示整個事件序列最大長度。最終目標是用梯度下降法讓L(t)最小化,找到一個最優(yōu)權(quán)重w使得L(t)最小,當w發(fā)生微小變化L(t)不再變化,達到局部最優(yōu),即L對w偏導梯度為0。
dL/dw表示當w發(fā)生單位變化L變化多少,dh(t)/dw表示當w發(fā)生單位變化h(t)變化多少,dL/dh(t)表示當h(t)發(fā)生單位變化時L變化多少,(dL/dh(t)) * (dh(t)/dw)表示第t時序第i個記憶單元w發(fā)生單位變化L變化多少,把所有由1到M的i和所有由1到T的t累加是整體dL/dw。
第i個記憶單元,h(t)發(fā)生單位變化,整個從1到T時序所有局部損失l的累加和,是dL/dh(t),h(t)只影響從t到T時序局部損失l。
假設(shè)L(t)表示從t到T損失和,L(t) = ∑l(s)。
h(t)對w導數(shù)。
L(t) = l(t) + L(t+1),dL(t)/dh(t) = dl(t)/dh(t) + dL(t+1)/dh(t),用下一時序?qū)?shù)得出當前時序?qū)?shù),規(guī)律推導,計算T時刻導數(shù)往前推,在T時刻,dL(T)/dh(T) = dl(T)/dh(T)。
class LstmNetwork():def __init__(self, lstm_param):self.lstm_param = lstm_paramself.lstm_node_list = []# input sequenceself.x_list = []def y_list_is(self, y_list, loss_layer):"""Updates diffs by setting target sequencewith corresponding loss layer.Will *NOT* update parameters. To update parameters,call self.lstm_param.apply_diff()"""assert len(y_list) == len(self.x_list)idx = len(self.x_list) - 1# first node only gets diffs from label ...loss = loss_layer.loss(self.lstm_node_list[idx].state.h, y_list[idx])diff_h = loss_layer.bottom_diff(self.lstm_node_list[idx].state.h, y_list[idx])# here s is not affecting loss due to h(t+1), hence we set equal to zerodiff_s = np.zeros(self.lstm_param.mem_cell_ct)self.lstm_node_list[idx].top_diff_is(diff_h, diff_s)idx -= 1### ... following nodes also get diffs from next nodes, hence we add diffs to diff_h### we also propagate error along constant error carousel using diff_swhile idx >= 0:loss += loss_layer.loss(self.lstm_node_list[idx].state.h, y_list[idx])diff_h = loss_layer.bottom_diff(self.lstm_node_list[idx].state.h, y_list[idx])diff_h += self.lstm_node_list[idx + 1].state.bottom_diff_hdiff_s = self.lstm_node_list[idx + 1].state.bottom_diff_sself.lstm_node_list[idx].top_diff_is(diff_h, diff_s)idx -= 1return lossdiff_h(預測結(jié)果誤差發(fā)生單位變化損失L多少,dL(t)/dh(t)數(shù)值計算),由idx從T往前遍歷到1,計算loss_layer.bottom_diff和下一個時序bottom_diff_h和作為diff_h(第一次遍歷即T不加bottom_diff_h)。
loss_layer.bottom_diff:
l(t) = f(h(t), y(t)) = ||h(t) - y(t)||^2導數(shù)l'(t) = 2 * (h(t) - y(t))
。當s(t)發(fā)生變化,L(t)變化來源s(t)影響h(t)和h(t+1),影響L(t)。
h(t+1)不會影響l(t)。
左邊式子(dL(t)/dh(t)) * (dh(t)/ds(t)),由t+1到t來逐級反推dL(t)/ds(t)。
神經(jīng)元self.state.h = self.state.s?self.state.o,h(t) = s(t)?o(t),dh(t)/ds(t) = o(t),dL(t)/dh(t)是top_diff_h。
top_diff_is,Bottom means input to the layer, top means output of the layer. Caffe also uses this terminology. bottom表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層輸入,top表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層輸出,和caffe概念一致。
def top_diff_is(self, top_diff_h, top_diff_s):
top_diff_h表示當前t時序dL(t)/dh(t), top_diff_s表示t+1時序記憶單元dL(t)/ds(t)。
前綴d表達誤差L對某一項導數(shù)(directive)。
ds是在根據(jù)公式dL(t)/ds(t)計算當前t時序dL(t)/ds(t)。
do是計算dL(t)/do(t),h(t) = s(t)?o(t),dh(t)/do(t) = s(t),dL(t)/do(t) = (dL(t)/dh(t))?(dh(t)/do(t)) = top_diff_h * s(t)。
di是計算dL(t)/di(t)。s(t) = f(t)?s(t-1) + i(t)?g(t)。dL(t)/di(t) = (dL(t)/ds(t))?(ds(t)/di(t)) = ds?g(t)。
dg是計算dL(t)/dg(t),dL(t)/dg(t) = (dL(t)/ds(t))?(ds(t)/dg(t)) = ds?i(t)。
df是計算dL(t)/df(t),dL(t)/df(t) = (dL(t)/ds(t))?(ds(t)/df(t)) = ds?s(t-1)。
sigmoid函數(shù)導數(shù),tanh函數(shù)導數(shù)。di_input,(1. - self.state.i) * self.state.i,sigmoid導數(shù),當i神經(jīng)元輸入發(fā)生單位變化時輸出值有多大變化,再乘di表示當i神經(jīng)元輸入發(fā)生單位變化時誤差L(t)發(fā)生多大變化,dL(t)/d i_input(t)。
self.param.wi_diff += np.outer(di_input, self.xc)self.param.wf_diff += np.outer(df_input, self.xc)self.param.wo_diff += np.outer(do_input, self.xc)self.param.wg_diff += np.outer(dg_input, self.xc)self.param.bi_diff += di_inputself.param.bf_diff += df_inputself.param.bo_diff += do_inputself.param.bg_diff += dg_inputw_diff是權(quán)重矩陣誤差,b_diff是偏置誤差,用于更新。
dxc = np.zeros_like(self.xc)dxc += np.dot(self.param.wi.T, di_input)dxc += np.dot(self.param.wf.T, df_input)dxc += np.dot(self.param.wo.T, do_input)dxc += np.dot(self.param.wg.T, dg_input)累加輸入xdiff,x在四處起作用,四處diff加和后作xdiff。
self.state.bottom_diff_s = ds * self.state.fself.state.bottom_diff_x = dxc[:self.param.x_dim]self.state.bottom_diff_h = dxc[self.param.x_dim:]bottom_diff_s是在t-1時序上s變化和t時序上s變化時f倍關(guān)系。dxc是x和h橫向合并矩陣,分別取兩部分diff信息bottom_diff_x和bottom_diff_h。
def x_list_clear(self):self.x_list = []def x_list_add(self, x):self.x_list.append(x)if len(self.x_list) > len(self.lstm_node_list):# need to add new lstm node, create new state memlstm_state = LstmState(self.lstm_param.mem_cell_ct, self.lstm_param.x_dim)self.lstm_node_list.append(LstmNode(self.lstm_param, lstm_state))# get index of most recent x inputidx = len(self.x_list) - 1if idx == 0:# no recurrent inputs yetself.lstm_node_list[idx].bottom_data_is(x)else:s_prev = self.lstm_node_list[idx - 1].state.sh_prev = self.lstm_node_list[idx - 1].state.hself.lstm_node_list[idx].bottom_data_is(x, s_prev, h_prev)添加訓練樣本,輸入x數(shù)據(jù)。
def example_0():# learns to repeat simple sequence from random inputsnp.random.seed(0)# parameters for input data dimension and lstm cell countmem_cell_ct = 100x_dim = 50concat_len = x_dim + mem_cell_ctlstm_param = LstmParam(mem_cell_ct, x_dim)lstm_net = LstmNetwork(lstm_param)y_list = [-0.5,0.2,0.1, -0.5]input_val_arr = [np.random.random(x_dim) for _ in y_list]for cur_iter in range(100):print "cur iter: ", cur_iterfor ind in range(len(y_list)):lstm_net.x_list_add(input_val_arr[ind])print "y_pred[%d] : %f" % (ind, lstm_net.lstm_node_list[ind].state.h[0])loss = lstm_net.y_list_is(y_list, ToyLossLayer)print "loss: ", losslstm_param.apply_diff(lr=0.1)lstm_net.x_list_clear()初始化LstmParam,指定記憶存儲單元數(shù)為100,指定輸入樣本x維度是50。初始化LstmNetwork訓練模型,生成4組各50個隨機數(shù),分別以[-0.5,0.2,0.1, -0.5]作為y值訓練,每次喂50個隨機數(shù)和一個y值,迭代100次。
lstm輸入一串連續(xù)質(zhì)數(shù)預估下一個質(zhì)數(shù)。小測試,生成100以內(nèi)質(zhì)數(shù),循環(huán)拿出50個質(zhì)數(shù)序列作x,第51個質(zhì)數(shù)作y,拿出10個樣本參與訓練1w次,均方誤差由0.17973最終達到了1.05172e-06,幾乎完全正確:
質(zhì)數(shù)列表全都除以100,這個代碼訓練數(shù)據(jù)必須是小于1數(shù)值。
torch是深度學習框架。1)tensorflow,谷歌主推,時下最火,小型試驗和大型計算都可以,基于python,缺點是上手相對較難,速度一般;2)torch,facebook主推,用于小型試驗,開源應用較多,基于lua,上手較快,網(wǎng)上文檔較全,缺點是lua語言相對冷門;3)mxnet,Amazon主推,主要用于大型計算,基于python和R,缺點是網(wǎng)上開源項目較少;4)caffe,facebook主推,用于大型計算,基于c++、python,缺點是開發(fā)不是很方便;5)theano,速度一般,基于python,評價很好。
torch github上lstm實現(xiàn)項目比較多。
在mac上安裝torch。https://github.com/torch/torch7/wiki/Cheatsheet#installing-and-running-torch?。
git clone https://github.com/torch/distro.git ~/torch --recursive cd ~/torch; bash install-deps; ./install.shqt安裝不成功問題,自己單獨安裝。
brew install cartr/qt4/qt安裝后需要手工加到~/.bash_profile中。
. ~/torch/install/bin/torch-activatesource ~/.bash_profile后執(zhí)行th使用torch。
安裝itorch,安裝依賴
用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)圖像識別。
創(chuàng)建pattern_recognition.lua:
執(zhí)行th pattern_recognition.lua。
首先下載cifar10torchsmall.zip樣本,有50000張訓練用圖片,10000張測試用圖片,分別都標注,包括airplane、automobile等10種分類,對trainset綁定__index和size方法,兼容nn.Sequential使用,綁定函數(shù)看lua教程:http://tylerneylon.com/a/learn-lua/?,trainset數(shù)據(jù)正規(guī)化,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成均值為1方差為1的double類型張量。初始化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,包括兩層卷積、兩層池化、一個全連接以及一個softmax層,進行訓練,學習率為0.001,迭代5次,模型訓練好后對測試機第100號圖片做預測,打印出整體正確率以及每種分類準確率。https://github.com/soumith/cvpr2015/blob/master/Deep%20Learning%20with%20Torch.ipynb?。
torch可以方便支持gpu計算,需要對代碼做修改。
比較流行的seq2seq基本都用lstm組成編碼器解碼器模型實現(xiàn),開源實現(xiàn)大都基于one-hot embedding(沒有詞向量表達信息量大)。word2vec詞向量 seq2seq模型,只有一個lstm單元機器人。
下載《甄環(huán)傳》小說原文。上網(wǎng)隨便百度“甄環(huán)傳 txt”,下載下來,把文件轉(zhuǎn)碼成utf-8編碼,把windows回車符都替換成n,以便后續(xù)處理。
對甄環(huán)傳切詞。切詞工具word_segment.py到github下載,地址在https://github.com/warmheartli/ChatBotCourse/blob/master/word_segment.py?。
python ./word_segment.py zhenhuanzhuan.txt zhenhuanzhuan.segment生成詞向量。用word2vec,word2vec源碼?https://github.com/warmheartli/ChatBotCourse/tree/master/word2vec?。make編譯即可執(zhí)行。
./word2vec -train ./zhenhuanzhuan.segment -output vectors.bin -cbow 1 -size 200 -window 8 -negative 25 -hs 0 -sample 1e-4 -threads 20 -binary 1 -iter 15生成一個vectors.bin文件,基于甄環(huán)傳原文生成的詞向量文件。
訓練代碼。
# -*- coding: utf-8 -*-import sys import math import tflearn import chardet import numpy as np import structseq = []max_w = 50 float_size = 4 word_vector_dict = {}def load_vectors(input):"""從vectors.bin加載詞向量,返回一個word_vector_dict的詞典,key是詞,value是200維的向量"""print "begin load vectors"input_file = open(input, "rb")# 獲取詞表數(shù)目及向量維度words_and_size = input_file.readline()words_and_size = words_and_size.strip()words = long(words_and_size.split(' ')[0])size = long(words_and_size.split(' ')[1])print "words =", wordsprint "size =", sizefor b in range(0, words):a = 0word = ''# 讀取一個詞while True:c = input_file.read(1)word = word + cif False == c or c == ' ':breakif a < max_w and c != 'n':a = a + 1word = word.strip()vector = []for index in range(0, size):m = input_file.read(float_size)(weight,) = struct.unpack('f', m)vector.append(weight)# 將詞及其對應的向量存到dict中word_vector_dict[word.decode('utf-8')] = vectorinput_file.close()print "load vectors finish"def init_seq():"""讀取切好詞的文本文件,加載全部詞序列"""file_object = open('zhenhuanzhuan.segment', 'r')vocab_dict = {}while True:line = file_object.readline()if line:for word in line.decode('utf-8').split(' '):if word_vector_dict.has_key(word):seq.append(word_vector_dict[word])else:breakfile_object.close()def vector_sqrtlen(vector):len = 0for item in vector:len += item * itemlen = math.sqrt(len)return lendef vector_cosine(v1, v2):if len(v1) != len(v2):sys.exit(1)sqrtlen1 = vector_sqrtlen(v1)sqrtlen2 = vector_sqrtlen(v2)value = 0for item1, item2 in zip(v1, v2):value += item1 * item2return value / (sqrtlen1*sqrtlen2)def vector2word(vector):max_cos = -10000match_word = ''for word in word_vector_dict:v = word_vector_dict[word]cosine = vector_cosine(vector, v)if cosine > max_cos:max_cos = cosinematch_word = wordreturn (match_word, max_cos)def main():load_vectors("./vectors.bin")init_seq()xlist = []ylist = []test_X = None#for i in range(len(seq)-100):for i in range(10):sequence = seq[i:i+20]xlist.append(sequence)ylist.append(seq[i+20])if test_X is None:test_X = np.array(sequence)(match_word, max_cos) = vector2word(seq[i+20])print "right answer=", match_word, max_cosX = np.array(xlist)Y = np.array(ylist)net = tflearn.input_data([None, 20, 200])net = tflearn.lstm(net, 200)net = tflearn.fully_connected(net, 200, activation='linear')net = tflearn.regression(net, optimizer='sgd', learning_rate=0.1,loss='mean_square')model = tflearn.DNN(net)model.fit(X, Y, n_epoch=500, batch_size=10,snapshot_epoch=False,show_metric=True)model.save("model")predict = model.predict([test_X])#print predict#for v in test_X:# print vector2word(v)(match_word, max_cos) = vector2word(predict[0])print "predict=", match_word, max_cosmain()load_vectors從vectors.bin加載詞向量,init_seq加載甄環(huán)傳切詞文本并存到一個序列里,vector2word求距離某向量最近詞,模型只有一個lstm單元。
經(jīng)過500個epoch訓練,均方損失降到0.33673,以0.941794432002余弦相似度預測出下一個字。
強大gpu,調(diào)整參數(shù),整篇文章都訓練,修改代碼predict部分,不斷輸出下一個字,自動吐出甄環(huán)體。基于tflearn實現(xiàn),tflearn官方文檔examples實現(xiàn)seq2seq直接調(diào)用tensorflow中的tensorflow/python/ops/seq2seq.py,基于one-hot embedding方法,一定沒有詞向量效果好。
本文作者:利炳根
原文鏈接
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的学习笔记CB012: LSTM 简单实现、完整实现、torch、小说训练word2vec lstm机器人的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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