新手深入PyTorch中RNN、LSTM和GRU使用和理解

E寻数据2024-01-06 14:26

目录

[torch.nn子模块Recurrent Layers](#torch.nn子模块Recurrent Layers)

nn.RNNBase

[RNNBase 类描述](#RNNBase 类描述)

[RNNBase 类的功能和作用](#RNNBase 类的功能和作用)

[flatten_parameters() 方法](#flatten_parameters() 方法)

示例代码

nn.RNN

[RNN 类描述](#RNN 类描述)

[RNN 类的功能和作用](#RNN 类的功能和作用)

[RNN 类的参数](#RNN 类的参数)

输入和输出

注意事项

示例代码

nn.LSTM

[LSTM 类描述](#LSTM 类描述)

[LSTM 类的功能和作用](#LSTM 类的功能和作用)

[LSTM 类的参数](#LSTM 类的参数)

输入和输出

注意事项

示例代码

nn.GRU

[GRU 类描述](#GRU 类描述)

[GRU 类的功能和作用](#GRU 类的功能和作用)

[GRU 类的参数](#GRU 类的参数)

输入和输出

注意事项

示例代码

nn.RNNCell

[RNNCell 类描述](#RNNCell 类描述)

[RNNCell 类的功能和作用](#RNNCell 类的功能和作用)

[RNNCell 类的参数](#RNNCell 类的参数)

输入和输出

形状

变量

注意事项

示例代码

nn.LSTMCell

[LSTMCell 类描述](#LSTMCell 类描述)

[LSTMCell 类的功能和作用](#LSTMCell 类的功能和作用)

[LSTMCell 类的参数](#LSTMCell 类的参数)

输入和输出

变量

注意事项

示例代码

nn.GRUCell

[GRUCell 类描述](#GRUCell 类描述)

[GRUCell 类的功能和作用](#GRUCell 类的功能和作用)

[GRUCell 类的参数](#GRUCell 类的参数)

输入和输出

形状

变量

注意事项

示例代码

总结

torch.nn子模块Recurrent Layers

nn.RNNBase

RNNBase 类描述

torch.nn.RNNBase 是 PyTorch 中用于构建循环神经网络的基类。它是 RNN、LSTM 和 GRU 等更具体的循环神经网络类的基础。下面将详细描述这个类和它的一个主要方法 flatten_parameters。

RNNBase 类的功能和作用

  • 初始化 : RNNBase 类提供了 RNN, LSTM, 和 GRU 这些子类的基本初始化参数。这包括输入大小（input_size）、隐藏层大小（hidden_size）、层数（num_layers）、使用偏置（bias）、是否以批处理为主（batch_first）、dropout 比例（dropout）、是否双向（bidirectional）等。

  • 参数管理: RNNBase 还提供了一些用于参数管理的实用方法，如参数的存储和重置。

  • 注意 : RNNBase 类本身并不实现 forward 方法。这意味着你不能直接使用 RNNBase 来创建一个模型实例；它只是提供了一个共同的基础结构，用于构建各种类型的循环神经网络。

flatten_parameters() 方法

  • 作用 : flatten_parameters 方法用于优化 RNN 的内部参数存储结构，从而使得 RNN 可以使用更快的代码路径进行计算。

  • 技巧: 这个方法尤其在使用 GPU 和启用 cuDNN 时非常有效。在这些条件下，它会重新设置参数数据指针，以优化内存访问模式和提高效率。

  • 注意事项 : 当模块不在 GPU 上或者没有启用 cuDNN 时，flatten_parameters 将不起作用，也就是说，它在这种情况下是一个无操作（no-op）。

示例代码

下面是一个示例代码，展示了如何使用 LSTM （继承自 RNNBase）并在其中调用 flatten_parameters 方法。

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn

# 定义一个简单的 LSTM 网络
class SimpleLSTM(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, num_layers):
        super(SimpleLSTM, self).__init__()
        self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers)

    def forward(self, x):
        self.lstm.flatten_parameters()
        output, (hn, cn) = self.lstm(x)
        return output, hn, cn

# 参数
input_size = 10
hidden_size = 20
num_layers = 2

# 创建模型实例
model = SimpleLSTM(input_size, hidden_size, num_layers)

# 示例输入
x = torch.randn(5, 3, input_size)  # (seq_length, batch, input_size)

# 前向传播
output, hn, cn = model(x)

这段代码展示了如何创建一个简单的 LSTM 网络，它在每次前向传播前调用 flatten_parameters 方法以优化性能。在这里，x 是一个随机生成的输入张量，其维度是序列长度、批大小和输入大小。

nn.RNN

RNN 类描述

torch.nn.RNN 是 PyTorch 中用于构建一个简单的 Elman 循环神经网络（RNN）的类。它可以应用于输入序列，使用 tanh 或 ReLU 作为激活函数。下面将详细描述这个类的功能、参数和注意事项。

RNN 类的功能和作用

  • Elman RNN: 这个类实现了基本的 Elman RNN 架构。对于输入序列中的每个元素，每层 RNN 都会计算一个新的隐藏状态，该状态取决于当前输入和前一时间点的隐藏状态。

  • 激活函数 : 可以选择使用 tanh 或 ReLU 作为非线性激活函数。

RNN 类的参数
  1. input_size: 输入特征的数量。
  2. hidden_size: 隐藏状态的特征数量。
  3. num_layers : RNN层的数量。例如，num_layers=2 表示两个 RNN 层堆叠在一起。
  4. nonlinearity : 使用的非线性激活函数，可以是 'tanh' 或 'relu'。
  5. bias : 如果为 False，则层不使用偏置权重 b_ih 和 b_hh。
  6. batch_first : 如果为 True，则输入和输出张量的格式为 (batch, seq, feature)；否则为 (seq, batch, feature)。
  7. dropout: 如果非零，将在每个 RNN 层的输出上引入一个 Dropout 层，除了最后一层。
  8. bidirectional : 如果为 True，则变为双向 RNN。
输入和输出

  • 输入 : input, h_0

    • input: 形状为 (seq_len, batch, input_size) 或 (batch, seq_len, input_size)（如果 batch_first=True）的张量，包含输入序列的特征。
    • h_0: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含初始隐藏状态。如果未提供，默认为零。

  • 输出 : output, h_n

    • output: 包含最后一层 RNN 的输出特征（h_t）的张量。
    • h_n: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含批次中每个元素的最终隐藏状态。
注意事项
  1. 权重和偏置的初始化 : 所有权重和偏置都从均匀分布 U(-k, k) 初始化，其中 k = 1 / hidden_size。
  2. 双向 RNN: 对于双向 RNN，前向和后向分别为方向 0 和 1。
  3. 非确定性问题: 在某些版本的 cuDNN 和 CUDA 上，RNN 函数可能存在非确定性问题。可以通过设置特定的环境变量来强制确定性行为。
  4. 特定条件下的性能优化 : 在特定条件下（如使用 V100 GPU，数据在 GPU 上，数据类型为 torch.float16 等），cudnn 可以选择持久算法来提升性能。

示例代码

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn

# 创建 RNN 实例
rnn = nn.RNN(input_size=10, hidden_size=20, num_layers=2, nonlinearity='tanh')

# 输入数据
input = torch.randn(5, 3, 10)  # (seq_len, batch, input_size)
h0 = torch.randn(2, 3, 20)     # (num_layers, batch, hidden_size)

# 前向传播
output, hn = rnn(input, h0)

这段代码展示了如何创建一个简单的 RNN 网络并进行前向传播。在这个例子中，input 是一个随机生成的输入张量，其维度是序列长度、批大小和输入大小。h0 是初始隐藏状态。输出 output 包含了每个时间步的隐藏状态，而 hn 是最终的隐藏状态。

nn.LSTM

LSTM 类描述

torch.nn.LSTM 是 PyTorch 中用于构建长短期记忆（LSTM）网络的类。LSTM 是一种特殊类型的循环神经网络（RNN），特别适合处理和预测时间序列数据中的长期依赖关系。

LSTM 类的功能和作用
  • 长短期记忆: LSTM 通过引入"门"机制（包括输入门、遗忘门、输出门）来控制信息的保留和遗忘，这有助于解决传统 RNN 在长序列上训练时的梯度消失问题。
LSTM 类的参数
  1. input_size: 输入特征的数量。
  2. hidden_size: 隐藏状态的特征数量。
  3. num_layers : RNN层的数量。例如，num_layers=2 表示两个 LSTM 层堆叠在一起。
  4. bias : 如果为 False，则层不使用偏置权重 b_ih 和 b_hh。
  5. batch_first : 如果为 True，则输入和输出张量的格式为 (batch, seq, feature)；否则为 (seq, batch, feature)。
  6. dropout: 如果非零，将在每个 LSTM 层的输出上引入一个 Dropout 层，除了最后一层。
  7. bidirectional : 如果为 True，则变为双向 LSTM。
  8. proj_size: 如果大于 0，则使用带有投影的 LSTM。这将改变 LSTM 单元的输出维度和某些权重矩阵的形状。
输入和输出

  • 输入 : input, (h_0, c_0)

    • input: 形状为 (seq_len, batch, input_size) 或 (batch, seq_len, input_size)（如果 batch_first=True）的张量，包含输入序列的特征。
    • h_0: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含初始隐藏状态。
    • c_0: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含初始细胞状态。

  • 输出 : output, (h_n, c_n)

    • output: 包含最后一层 LSTM 的输出特征（h_t）的张量。
    • h_n: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含序列中每个元素的最终隐藏状态。
    • c_n: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含序列中每个元素的最终细胞状态。
注意事项
  1. 权重和偏置的初始化 : 所有权重和偏置都从均匀分布 U(-k, k) 初始化，其中 k = 1 / hidden_size。
  2. 双向 LSTM : 对于双向 LSTM，h_n 和 output 的含义有所不同。h_n 包含最终的前向和后向隐藏状态，而 output 包含每个时间步的隐藏状态。
  3. 投影大小 : proj_size 应小于 hidden_size。
  4. 非确定性问题: 在某些版本的 cuDNN 和 CUDA 上，LSTM 函数可能存在非确定性问题。可以通过设置特定的环境变量来强制确定性行为。

示例代码

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn

# 创建 LSTM 实例
lstm = nn.LSTM(input_size=10, hidden_size=20, num_layers=2)

# 输入数据
input = torch.randn(5, 3, 10)  # (seq_len, batch, input_size)
h0 = torch.randn(2, 3, 20)     # (num_layers, batch, hidden_size)
c0 = torch.randn(2, 3, 20)     # (num_layers, batch, hidden_size)

# 前向传播
output, (hn, cn) = lstm(input, (h0, c0))

这段代码展示了如何创建一个 LSTM 网络并进行前向传播。在这个例子中，input 是一个随机生成的输入张量，其维度是序列长度、批大小和输入大小。h0 和 c0 分别是初始隐藏状态和细胞状态。输出 output 包含了每个时间步的隐藏状态，而 (hn, cn) 是最终的隐藏状态和细胞状态。

nn.GRU

GRU 类描述

torch.nn.GRU 是 PyTorch 中用于构建门控循环单元（GRU）网络的类。GRU 是一种循环神经网络，类似于 LSTM，但结构更为简单，用于处理序列数据。

GRU 类的功能和作用
  • 门控机制: GRU 通过引入重置门（reset gate）和更新门（update gate）来控制信息的流动，这有助于捕捉序列数据中的长期依赖关系，并解决传统 RNN 的梯度消失问题。
GRU 类的参数
  1. input_size: 输入特征的数量。
  2. hidden_size: 隐藏状态的特征数量。
  3. num_layers : RNN层的数量。例如，num_layers=2 表示两个 GRU 层堆叠在一起。
  4. bias : 如果为 False，则层不使用偏置权重 b_ih 和 b_hh。
  5. batch_first : 如果为 True，则输入和输出张量的格式为 (batch, seq, feature)；否则为 (seq, batch, feature)。
  6. dropout: 如果非零，将在每个 GRU 层的输出上引入一个 Dropout 层，除了最后一层。
  7. bidirectional : 如果为 True，则变为双向 GRU。
输入和输出

  • 输入 : input, h_0

    • input: 形状为 (seq_len, batch, input_size) 或 (batch, seq_len, input_size)（如果 batch_first=True）的张量，包含输入序列的特征。
    • h_0: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含初始隐藏状态。

  • 输出 : output, h_n

    • output: 包含最后一层 GRU 的输出特征（h_t）的张量。
    • h_n: 形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size) 的张量，包含序列中每个元素的最终隐藏状态。
注意事项
  1. 权重和偏置的初始化 : 所有权重和偏置都从均匀分布 U(-k, k) 初始化，其中 k = 1 / hidden_size。
  2. 双向 GRU : 对于双向 GRU，h_n 和 output 的含义有所不同。h_n 包含最终的前向和后向隐藏状态，而 output 包含每个时间步的隐藏状态。
  3. PyTorch中的GRU与原始论文的差异: PyTorch 中 GRU 的实现与原始论文在计算新门（new gate）时略有不同，这种差异是为了提高效率。
  4. 非确定性问题: 在某些版本的 cuDNN 和 CUDA 上，GRU 函数可能存在非确定性问题。可以通过设置特定的环境变量来强制确定性行为。

示例代码

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn

# 创建 GRU 实例
gru = nn.GRU(input_size=10, hidden_size=20, num_layers=2)

# 输入数据
input = torch.randn(5, 3, 10)  # (seq_len, batch, input_size)
h0 = torch.randn(2, 3, 20)     # (num_layers, batch, hidden_size)

# 前向传播
output, hn = gru(input, h0)

这段代码展示了如何创建一个 GRU 网络并进行前向传播。在这个例子中，input 是一个随机生成的输入张量，其维度是序列长度、批大小和输入大小。h0 是初始隐藏状态。输出 output 包含了每个时间步的隐藏状态，而 hn 是最终的隐藏状态。

nn.RNNCell

RNNCell 类描述

torch.nn.RNNCell 是 PyTorch 中的一个模块，用于实现单个 Elman RNN 单元。这个类比完整的 RNN 类更为基础，它处理的是序列中的单个时间步，而不是整个序列。

RNNCell 类的功能和作用
  • 单时间步处理: RNNCell 适用于在自定义循环中一次处理一个时间步，这提供了对序列处理过程的更细粒度控制。
RNNCell 类的参数
  1. input_size (int): 输入特征的数量。
  2. hidden_size (int): 隐藏状态的特征数量。
  3. bias (bool): 如果为 False，则单元不使用偏置权重 b_ih 和 b_hh。默认为 True。
  4. nonlinearity (str): 使用的非线性激活函数，可以是 'tanh' 或 'relu'。默认为 'tanh'。
输入和输出

  • 输入 : input, hidden

    • input: 包含输入特征的张量。
    • hidden: 包含初始隐藏状态的张量。如果未提供，默认为零。

  • 输出 : h'

    • h': 形状为 (batch, hidden_size) 的张量，包含批次中每个元素的下一个隐藏状态。
形状
  • input : 形状为 (N, H_in) 或 (H_in) 的张量，其中 H_in = input_size。
  • hidden : 形状为 (N, H_out) 或 (H_out) 的张量，其中 H_out = hidden_size。如果未提供，默认为零。
  • output : 形状为 (N, H_out) 或 (H_out) 的张量，包含下一个隐藏状态。
变量
  • weight_ih (torch.Tensor): 学习得到的输入-隐藏权重，形状为 (hidden_size, input_size)。
  • weight_hh (torch.Tensor): 学习得到的隐藏-隐藏权重，形状为 (hidden_size, hidden_size)。
  • bias_ih : 学习得到的输入-隐藏偏置，形状为 (hidden_size)。
  • bias_hh : 学习得到的隐藏-隐藏偏置，形状为 (hidden_size)。
注意事项
  • 权重和偏置的初始化 : 所有权重和偏置都从均匀分布 U(-k, k) 初始化，其中 k = 1 / hidden_size。

示例代码

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn

# 创建 RNNCell 实例
rnn = nn.RNNCell(10, 20)

# 输入数据
input = torch.randn(6, 3, 10)  # (time_steps, batch, input_size)
hx = torch.randn(3, 20)        # (batch, hidden_size)

# 模拟时间步循环
output = []
for i in range(6):
    hx = rnn(input[i], hx)
    output.append(hx)

这段代码展示了如何使用 RNNCell 来处理一个序列。在这个例子中，input 是一个随机生成的输入张量，其维度是时间步、批大小和输入大小。hx 是初始隐藏状态。循环通过逐个时间步调用 RNNCell 来更新 hx，并将每个时间步的输出收集到 output 列表中。

nn.LSTMCell

LSTMCell 类描述

torch.nn.LSTMCell 是 PyTorch 中用于构建单个长短期记忆（LSTM）单元的类。与 LSTM 类处理整个序列不同，LSTMCell 只处理序列中的单个时间步。

LSTMCell 类的功能和作用
  • 单时间步处理: LSTMCell 适用于在自定义循环中逐个时间步处理数据，这提供了对序列处理过程的更细粒度控制。
  • LSTM机制 : 同 LSTM 类似，LSTMCell 使用输入门、遗忘门、输出门和细胞状态来控制和维持长期依赖关系。
LSTMCell 类的参数
  1. input_size (int): 输入特征的数量。
  2. hidden_size (int): 隐藏状态的特征数量。
  3. bias (bool): 如果为 False，则单元不使用偏置权重 b_ih 和 b_hh。默认为 True。
输入和输出

  • 输入 : input, (h_0, c_0)

    • input: 形状为 (batch, input_size) 或 (input_size) 的张量，包含输入特征。
    • h_0: 形状为 (batch, hidden_size) 或 (hidden_size) 的张量，包含初始隐藏状态。
    • c_0: 形状为 (batch, hidden_size) 或 (hidden_size) 的张量，包含初始细胞状态。

  • 输出 : (h_1, c_1)

    • h_1: 形状为 (batch, hidden_size) 或 (hidden_size) 的张量，包含下一个隐藏状态。
    • c_1: 形状为 (batch, hidden_size) 或 (hidden_size) 的张量，包含下一个细胞状态。
变量
  • weight_ih (torch.Tensor): 学习得到的输入-隐藏权重，形状为 (4*hidden_size, input_size)。
  • weight_hh (torch.Tensor): 学习得到的隐藏-隐藏权重，形状为 (4*hidden_size, hidden_size)。
  • bias_ih : 学习得到的输入-隐藏偏置，形状为 (4*hidden_size)。
  • bias_hh : 学习得到的隐藏-隐藏偏置，形状为 (4*hidden_size)。
注意事项
  • 权重和偏置的初始化 : 所有权重和偏置都从均匀分布 U(-k, k) 初始化，其中 k = 1 / hidden_size。
  • 不同的设备精度: 在某些 ROCm 设备上，使用 float16 输入时，此模块的反向传播可能使用不同的精度。

示例代码

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn

# 创建 LSTMCell 实例
lstm_cell = nn.LSTMCell(10, 20)  # (input_size, hidden_size)

# 输入数据
input = torch.randn(2, 3, 10)  # (time_steps, batch, input_size)
hx = torch.randn(3, 20)        # (batch, hidden_size)
cx = torch.randn(3, 20)        # (batch, hidden_size)

# 模拟时间步循环
output = []
for i in range(input.size()[0]):
    hx, cx = lstm_cell(input[i], (hx, cx))
    output.append(hx)

# 将输出堆叠起来
output = torch.stack(output, dim=0)

这段代码展示了如何使用 LSTMCell 来处理一个序列。在这个例子中，input 是一个随机生成的输入张量，其维度是时间步、批大小和输入大小。hx 和 cx 分别是初始隐藏状态和细胞状态。循环通过逐个时间步调用 LSTMCell 来更新 hx 和 cx，并将每个时间步的隐藏状态收集到 output 列表中，最后将这些输出堆叠起来。

nn.GRUCell

GRUCell 类描述

torch.nn.GRUCell 是 PyTorch 中用于构建单个门控循环单元（GRU）的类。与完整的 GRU 类不同，GRUCell 专门处理序列中的单个时间步。

GRUCell 类的功能和作用
  • 单时间步处理: GRUCell 用于在自定义循环中逐步处理数据，允许在每个时间步进行更精细的控制。
  • GRU机制 : 与 GRU 类似，GRUCell 使用更新门（update gate）和重置门（reset gate）来控制信息的流动，有效地捕捉序列数据中的长期依赖关系。
GRUCell 类的参数
  1. input_size (int): 输入特征的数量。
  2. hidden_size (int): 隐藏状态的特征数量。
  3. bias (bool): 如果为 False，则单元不使用偏置权重 b_ih 和 b_hh。默认为 True。
输入和输出

  • 输入 : input, hidden

    • input: 包含输入特征的张量。
    • hidden: 包含初始隐藏状态的张量。如果未提供，默认为零。

  • 输出 : h'

    • h': 包含批次中每个元素的下一个隐藏状态的张量。
形状
  • input : 形状为 (N, H_in) 或 (H_in) 的张量，其中 H_in = input_size。
  • hidden : 形状为 (N, H_out) 或 (H_out) 的张量，其中 H_out = hidden_size。如果未提供，默认为零。
  • output : 形状为 (N, H_out) 或 (H_out) 的张量，包含下一个隐藏状态。
变量
  • weight_ih (torch.Tensor): 学习得到的输入-隐藏权重，形状为 (3*hidden_size, input_size)。
  • weight_hh (torch.Tensor): 学习得到的隐藏-隐藏权重，形状为 (3*hidden_size, hidden_size)。
  • bias_ih : 学习得到的输入-隐藏偏置，形状为 (3*hidden_size)。
  • bias_hh : 学习得到的隐藏-隐藏偏置，形状为 (3*hidden_size)。
注意事项
  • 权重和偏置的初始化 : 所有权重和偏置都从均匀分布 U(-k, k) 初始化，其中 k = 1 / hidden_size。
  • 不同的设备精度: 在某些 ROCm 设备上，使用 float16 输入时，此模块的反向传播可能使用不同的精度。

示例代码

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn

# 创建 GRUCell 实例
gru_cell = nn.GRUCell(10, 20)  # (input_size, hidden_size)

# 输入数据
input = torch.randn(6, 3, 10)  # (time_steps, batch, input_size)
hx = torch.randn(3, 20)        # (batch, hidden_size)

# 模拟时间步循环
output = []
for i in range(6):
    hx = gru_cell(input[i], hx)
    output.append(hx)

这段代码展示了如何使用 GRUCell 来处理一个序列。在这个例子中，input 是一个随机生成的输入张量，其维度是时间步、批大小和输入大小。hx 是初始隐藏状态。循环通过逐个时间步调用 GRUCell 来更新 hx，并将每个时间步的输出收集到 output 列表中。

总结

在这篇博客中，我们深入探索了 PyTorch 中的循环神经网络（RNN）相关的几个关键类：RNNBase, RNN, LSTM, GRU 及其对应的单元格版本 RNNCell, LSTMCell, GRUCell。每个类的功能、作用、参数和使用方法都得到了详细的解释和示例代码的支持。从基础的 RNN 架构到更复杂的 LSTM 和 GRU 结构，本文提供了深入了解这些强大的序列模型工具的机会，同时也展示了如何在实际场景中应用这些模型。这些类不仅对于理解序列数据的基本动态至关重要，而且在许多先进的深度学习应用中发挥着核心作用。

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