HBU深度学习作业9

1. 实现SRN

（1）使用Numpy实现SRN

import numpy as np
 
inputs = np.array([[1., 1.],
                   [1., 1.],
                   [2., 2.]])  # 初始化输入序列
print('inputs is ', inputs)
 
state_t = np.zeros(2, )  # 初始化存储器
print('state_t is ', state_t)
 
w1, w2, w3, w4, w5, w6, w7, w8 = 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1.
U1, U2, U3, U4 = 1., 1., 1., 1.
for input_t in inputs:
    print('inputs is ', input_t)
    print('state_t is ', state_t)
    in_h1 = np.dot([w1, w3], input_t) + np.dot([U2, U4], state_t)
    in_h2 = np.dot([w2, w4], input_t) + np.dot([U1, U3], state_t)
    state_t = in_h1, in_h2
    output_y1 = np.dot([w5, w7], [in_h1, in_h2])
    output_y2 = np.dot([w6, w8], [in_h1, in_h2])
    print('output_y is ', output_y1, output_y2)
    print('---------------------')

（2）在1的基础上，增加激活函数tanh

import numpy as np
 
inputs = np.array([[1., 1.],
                   [1., 1.],
                   [2., 2.]])  # 初始化输入序列
print('inputs is ', inputs)
 
state_t = np.zeros(2, )  # 初始化存储器
print('state_t is ', state_t)
 
w1, w2, w3, w4, w5, w6, w7, w8 = 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1.
U1, U2, U3, U4 = 1., 1., 1., 1.
print('--------------------------------------')
for input_t in inputs:
    print('inputs is ', input_t)
    print('state_t is ', state_t)
    in_h1 = np.tanh(np.dot([w1, w3], input_t) + np.dot([U2, U4], state_t))
    in_h2 = np.tanh(np.dot([w2, w4], input_t) + np.dot([U1, U3], state_t))
    state_t = in_h1, in_h2
    output_y1 = np.dot([w5, w7], [in_h1, in_h2])
    output_y2 = np.dot([w6, w8], [in_h1, in_h2])
    print('output_y is ', output_y1, output_y2)
    print('---------------------------------------------')

（3）使用nn.RNNCell实现

import torch
 
batch_size = 1
seq_len = 3  # 序列长度
input_size = 2  # 输入序列维度
hidden_size = 2  # 隐藏层维度
output_size = 2  # 输出层维度
 
# RNNCell
cell = torch.nn.RNNCell(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size)
# 初始化参数 https://zhuanlan.zhihu.com/p/342012463
for name, param in cell.named_parameters():
    if name.startswith("weight"):
        torch.nn.init.ones_(param)
    else:
        torch.nn.init.zeros_(param)
# 线性层
liner = torch.nn.Linear(hidden_size, output_size)
liner.weight.data = torch.Tensor([[1, 1], [1, 1]])
liner.bias.data = torch.Tensor([0.0])
 
seq = torch.Tensor([[[1, 1]],
                    [[1, 1]],
                    [[2, 2]]])
hidden = torch.zeros(batch_size, hidden_size)
output = torch.zeros(batch_size, output_size)
 
for idx, input in enumerate(seq):
    print('=' * 20, idx, '=' * 20)
 
    print('Input :', input)
    print('hidden :', hidden)
 
    hidden = cell(input, hidden)
    output = liner(hidden)
    print('output :', output)

（4）使用nn.RNN实现

import torch
 
batch_size = 1
seq_len = 3
input_size = 2
hidden_size = 2
num_layers = 1
output_size = 2
 
cell = torch.nn.RNN(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size, num_layers=num_layers)
for name, param in cell.named_parameters():  # 初始化参数
    if name.startswith("weight"):
        torch.nn.init.ones_(param)
    else:
        torch.nn.init.zeros_(param)
 
# 线性层
liner = torch.nn.Linear(hidden_size, output_size)
liner.weight.data = torch.Tensor([[1, 1], [1, 1]])
liner.bias.data = torch.Tensor([0.0])
 
inputs = torch.Tensor([[[1, 1]],
                       [[1, 1]],
                       [[2, 2]]])
hidden = torch.zeros(num_layers, batch_size, hidden_size)
out, hidden = cell(inputs, hidden)
 
print('Input :', inputs[0])
print('hidden:', 0, 0)
print('Output:', liner(out[0]))
print('--------------------------------------')
print('Input :', inputs[1])
print('hidden:', out[0])
print('Output:', liner(out[1]))
print('--------------------------------------')
print('Input :', inputs[2])
print('hidden:', out[1])
print('Output:', liner(out[2]))

2. 实现“序列到序列”

import torch

input_size = 4
hidden_size = 4
batch_size = 1

idx2char = ['e', 'h', 'l', 'o']
x_data = [1, 0, 2, 2, 3]
y_data = [3, 1, 2, 3, 2]

one_hot_lookup = [[1, 0, 0, 0],
                  [0, 1, 0, 0],
                  [0, 0, 1, 0],
                  [0, 0, 0, 1]]

x_one_hot = [one_hot_lookup[x] for x in x_data]

inputs = torch.Tensor(x_one_hot).view(-1, batch_size, input_size)
labels = torch.LongTensor(y_data).view(-1, 1)


class Model(torch.nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, batch_size):
        super(Model, self).__init__()
        self.batch_size = batch_size
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.rnncell = torch.nn.RNNCell(input_size=self.input_size,
                                        hidden_size=self.hidden_size)

    def forward(self, input, hidden):
        hidden = self.rnncell(input, hidden)
        return hidden

    def init_hidden(self):
        return torch.zeros(self.batch_size, self.hidden_size)


net = Model(input_size, hidden_size, batch_size)
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=0.1)

for epoch in range(15):  # 循环15轮
    loss = 0
    optimizer.zero_grad()  # 每一次计算前先把梯度归零
    hidden = net.init_hidden()  # 初始化 h_0
    print('Predicted string:', end='')
    for input, label in zip(inputs, labels):  # 输入seq_length, batch_size, input_size
        hidden = net(input, hidden)
        loss += criterion(hidden, label)  # 所有的损失要用累加,不能用item
        _, idx = hidden.max(dim=1)  # 找到hidden 里面最大的值，认为是最有可能的
        print(idx2char[idx.item()], end='')
    loss.backward()  # 反向传播
    optimizer.step()  # 更新参数
    print(', Epoch [%d/15] loss=%.4f' % (epoch + 1, loss.item()))

3. “编码器-解码器”的简单实现

import torch
import numpy as np
import torch.nn as nn
import torch.utils.data as Data

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
# S: Symbol that shows starting of decoding input
# E: Symbol that shows starting of decoding output
# ?: Symbol that will fill in blank sequence if current batch data size is short than n_step

letter = [c for c in 'SE?abcdefghijklmnopqrstuvwxyz']
letter2idx = {n: i for i, n in enumerate(letter)}

seq_data = [['man', 'women'], ['black', 'white'], ['king', 'queen'], ['girl', 'boy'], ['up', 'down'], ['high', 'low']]

# Seq2Seq Parameter
n_step = max([max(len(i), len(j)) for i, j in seq_data])  # max_len(=5)
n_hidden = 128
n_class = len(letter2idx)  # classfication problem
batch_size = 3


def make_data(seq_data):
    enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all = [], [], []

    for seq in seq_data:
        for i in range(2):
            seq[i] = seq[i] + '?' * (n_step - len(seq[i]))  # 'man??', 'women'

        enc_input = [letter2idx[n] for n in (seq[0] + 'E')]  # ['m', 'a', 'n', '?', '?', 'E']
        dec_input = [letter2idx[n] for n in ('S' + seq[1])]  # ['S', 'w', 'o', 'm', 'e', 'n']
        dec_output = [letter2idx[n] for n in (seq[1] + 'E')]  # ['w', 'o', 'm', 'e', 'n', 'E']

        enc_input_all.append(np.eye(n_class)[enc_input])
        dec_input_all.append(np.eye(n_class)[dec_input])
        dec_output_all.append(dec_output)  # not one-hot

    # make tensor
    return torch.Tensor(enc_input_all), torch.Tensor(dec_input_all), torch.LongTensor(dec_output_all)


'''
enc_input_all: [6, n_step+1 (because of 'E'), n_class]
dec_input_all: [6, n_step+1 (because of 'S'), n_class]
dec_output_all: [6, n_step+1 (because of 'E')]
'''
enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all = make_data(seq_data)


class TranslateDataSet(Data.Dataset):
    def __init__(self, enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all):
        self.enc_input_all = enc_input_all
        self.dec_input_all = dec_input_all
        self.dec_output_all = dec_output_all

    def __len__(self):  # return dataset size
        return len(self.enc_input_all)

    def __getitem__(self, idx):
        return self.enc_input_all[idx], self.dec_input_all[idx], self.dec_output_all[idx]


loader = Data.DataLoader(TranslateDataSet(enc_input_all, dec_input_all, dec_output_all), batch_size, True)


# Model
class Seq2Seq(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Seq2Seq, self).__init__()
        self.encoder = nn.RNN(input_size=n_class, hidden_size=n_hidden, dropout=0.5)  # encoder
        self.decoder = nn.RNN(input_size=n_class, hidden_size=n_hidden, dropout=0.5)  # decoder
        self.fc = nn.Linear(n_hidden, n_class)

    def forward(self, enc_input, enc_hidden, dec_input):
        # enc_input(=input_batch): [batch_size, n_step+1, n_class]
        # dec_inpu(=output_batch): [batch_size, n_step+1, n_class]
        enc_input = enc_input.transpose(0, 1)  # enc_input: [n_step+1, batch_size, n_class]
        dec_input = dec_input.transpose(0, 1)  # dec_input: [n_step+1, batch_size, n_class]

        # h_t : [num_layers(=1) * num_directions(=1), batch_size, n_hidden]
        _, h_t = self.encoder(enc_input, enc_hidden)
        # outputs : [n_step+1, batch_size, num_directions(=1) * n_hidden(=128)]
        outputs, _ = self.decoder(dec_input, h_t)

        model = self.fc(outputs)  # model : [n_step+1, batch_size, n_class]
        return model


model = Seq2Seq().to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss().to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

for epoch in range(5000):
    for enc_input_batch, dec_input_batch, dec_output_batch in loader:
        # make hidden shape [num_layers * num_directions, batch_size, n_hidden]
        h_0 = torch.zeros(1, batch_size, n_hidden).to(device)

        (enc_input_batch, dec_intput_batch, dec_output_batch) = (
            enc_input_batch.to(device), dec_input_batch.to(device), dec_output_batch.to(device))
        # enc_input_batch : [batch_size, n_step+1, n_class]
        # dec_intput_batch : [batch_size, n_step+1, n_class]
        # dec_output_batch : [batch_size, n_step+1], not one-hot
        pred = model(enc_input_batch, h_0, dec_intput_batch)
        # pred : [n_step+1, batch_size, n_class]
        pred = pred.transpose(0, 1)  # [batch_size, n_step+1(=6), n_class]
        loss = 0
        for i in range(len(dec_output_batch)):
            # pred[i] : [n_step+1, n_class]
            # dec_output_batch[i] : [n_step+1]
            loss += criterion(pred[i], dec_output_batch[i])
        if (epoch + 1) % 1000 == 0:
            print('Epoch:', '%04d' % (epoch + 1), 'cost =', '{:.6f}'.format(loss))

        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()


def translate(word):
    enc_input, dec_input, _ = make_data([[word, '?' * n_step]])
    enc_input, dec_input = enc_input.to(device), dec_input.to(device)
    # make hidden shape [num_layers * num_directions, batch_size, n_hidden]
    hidden = torch.zeros(1, 1, n_hidden).to(device)
    output = model(enc_input, hidden, dec_input)
    # output : [n_step+1, batch_size, n_class]

    predict = output.data.max(2, keepdim=True)[1]  # select n_class dimension
    decoded = [letter[i] for i in predict]
    translated = ''.join(decoded[:decoded.index('E')])

    return translated.replace('?', '')


print('test')
print('man ->', translate('man'))
print('mans ->', translate('mans'))
print('king ->', translate('king'))
print('black ->', translate('black'))
print('up ->', translate('up'))

4.简单总结nn.RNNCell、nn.RNN

参考链接：

【PyTorch学习笔记】21：nn.RNN和nn.RNNCell的使用-CSDN博客

【学习笔记】RNN算法的pytorch实现 - Lugendary - 博客园 (cnblogs.com)

torch 循环神经网络torch.nn.RNN()和 torch.nn.RNNCell()-CSDN博客

torch.nn.RNN()调用的是循环神经网络最原始的形态，这种没法处理比较长的时间序列，后面的变体Lstm和GRU解决了这个问题，这里只是用torch.nn.RNN()展示一下循环神经网络的一些基本参数等信息，当然有些大神也是直接调用这个去搭建一些自己需要的网络结构。

import torch
from torch.autograd import Variable
from torch import nn

input_size = 10
batch_size = 5

hidden_size = 20
num_layers = 2
#定义一个最简单的循环神经网络，网络输入的特征维度为10，隐层的节点数目为20个，有2层
model = nn.RNN(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size, num_layers=num_layers)

x = torch.rand(3, batch_size, input_size) #这里理解为生成batch_size条数据，每条数据长度为3，特征维度为input_size
h0 = torch.zeros(num_layers, batch_size, hidden_size) #这里定义最初始输入的记忆状态，直接设置为0就行
y, h = model(x, h0)

print('y.shape=', y.shape)
print('h.shape=', h.shape)

上面搭建了一个最简单的示例，解释下y和h的输出都表示什么，这对后面的使用影响比较大，循环神经网络是这样的，一条时间序列的长度为3，那么就对应了3个时刻，前面一个时刻模型的神经元的输出会作为下一个时刻模型神经元的输入，假设模型的所有神经元表示为H，h表示所有神经元的输出，h也叫记忆单元。那么在最开始的时间t0，计算过程就是

h1 = H(h0 + x0) #h0为初始化输入，可以直接设置为0
#因为时间序列每个元素都需要对应一个输出，于是0时刻，第1个元素对应的输出为
out1 = h1[-1] #也就是所有神经元输出的最后一层
开始循环如下：
h2 = H(h1 +  x1)
out2 = h2[-1]
h3 = H(h2 +  x2)
out3 = h3[-1]

最后训练结束，输出的h就是最后一个时刻模型所有神经元的输出，也就是h3，我们上面定义的模型有2层，每层神经元数目为20，于是得到的输出尺寸应该为[2, 20]，又因为上面我设置了5条神经元数据，每条都对应一个[2, 20]的输出矩阵，所以最终的输出矩阵尺寸为[2, 5, 20]，记得中间的维度是针对第几条数据，希望读者能理解输出和输入都是表示什么。

那么很好理解了吧，模型最后输出的y，就是每个时刻元素的输出，也就是[out1, out2, out3]，每个out都是模型最后一层神经元的输出，尺寸为[1, 20]，这里我设置的数据每条时间序列有3个元素，每个元素对应一个时刻的输出，于是尺寸为[3, 20]，又因为有5条数据，所以最终尺寸为[3, 5, 20]。

这里注意下，RNN的输入格式不同于CNN，CNN模型的输入尺寸是batch_size放前面，也就是[batch_size, input_size_1, input_size_2]，而RNN是放中间，也就是
[input_size_1, batch_size, input_size_2]，希望各位同学注意下。

这里需要对比的是RNNCell，我们上面提到上述过程是一个循环的过程，唯一区别就是，RNN是读取了0时刻的隐层信息h0，剩下的过程是自动循环完成的，而RNNCell就需要自己写循环处理了，代码如下：

import torch
from torch.autograd import Variable
from torch import nn

input_size = 10
batch_size = 5

hidden_size = 20
num_layers = 2
#定义一个最简单的循环神经网络，网络输入的特征维度为10，隐层的节点数目为20个
model = nn.RNNCell(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size)

x = torch.rand(3, batch_size, input_size) #这里理解为生成batch_size条数据，每条数据长度为3，特征维度为input_size
h0 = torch.zeros(batch_size, hidden_size) #这里定义最初始输入的记忆状态，直接设置为0就行

for i in range(3):
    h0 = model(x[i], h0)
    y = h0
    print(y.shape)

RNNCell是单层结构，所以每次的输出，就是对应时刻元素x的输出。

5.谈一谈对“序列”、“序列到序列”的理解

参考链接：

序列到序列 | 机器之心 (jiqizhixin.com)

使用Python实现深度学习模型：序列到序列模型（Seq2Seq） - 华为云开发者联盟 - 博客园 (cnblogs.com)

什么是序列？

序列数据（Sequence Data）是指按照一定顺序排列的数据集合，其中的每个元素被称为序列的一个项（item）。

序列数据的特点是按顺序排列，元素之间存在时间或空间上的依赖关系。

什么是序列到序列？

序列到序列学习（Seq2Seq）是指训练模型从而把一个域的序列（比如英语语句）转化为另一个域的序列（比如法语中的对应语句）：

这是一种通用的端到端序列学习方法，它基于编码-解码（Encoder - Decoder）的架构。一般情况下，输入序列和输出序列有不同的长度（比如机器翻译）。这就需要一个更高级的设置，尤其在没有进一步语境的「序列到序列模型」时。下面是其工作原理：

一个 RNN 层（或其中的堆栈）作为「编码器」：它处理输入序列并反馈其内部状态。注意我们抛弃了编码器 RNN 的输出，只恢复其状态。该状态在下一步中充当解码器的「语境」。

另一个 RNN 层作为「解码器」：在给定目标序列先前字母的情况下，它被训练以预测目标序列的下一个字符。具体讲，它被训练把目标序列转化为相同序列，但接下来被一个时间步抵消，这一训练过程在语境中被称为「teacher forcing」。更重要的是，编码器把其状态向量用作初始状态，如此编码器获得了其将要生成的信息。实际上，在给定 targets[...t] 的情况下，解码器学习生成 targets[t+1...]，前提是在输入序列上。