1.LSTM细节分析理解(pytorch版)
2.基于LSTM模型的源码某股票未来股价的预测
3.大名鼎鼎的LSTM详解
4.基于Pytorch的LSTM详解
5.神经网络——单层LSTM
6.简单实现CNN+LSTM
LSTM细节分析理解(pytorch版)
在理解LSTM的内部机制和PyTorch实现时,一个关键步骤是源码将理论与实践相结合。LSTM的源码运作机制包括三个门:输入门、遗忘门和输出门,源码它们通过一系列公式控制信息的源码流动。在PyTorch的源码开闸放水选股指标源码torch.nn.LSTM函数中,隐藏层大小(hidden_size)对应公式中的源码参数,num_layers决定网络的源码深度,input_size和embedding_dim有关,源码而batch_first参数调整了输入数据的源码维度顺序。双向LSTM则通过序列的源码前向和后向传播扩展了信息处理范围。
输入和输出在PyTorch API中分别对应h和c,源码形状为(num_layers * num_directions,源码 batch, hidden_size)。输入是源码一个序列,经过多层LSTM单元处理后,源码输出是最终的隐状态,对于单向LSTM,这通常作为整个序列的embedding使用;对于双向LSTM,每个时间步的隐层输出都可用于词级别的嵌入。
在实际应用中,处理变长序列是一个挑战,这时`torch.nn.utils.rnn.pack_sequence`和`pad_sequence`函数就显得尤为重要,它们用于整理和填充序列,确保每个时间步都能正确地输入到LSTM中。通过`pack_padded_sequence`包装pad后的数据,可以确保LSTM处理过程的正确性,而`pad_packed_sequence`则用于后续的处理或与不同长度数据的融合。
在设计上,这些工具的使用可能是因为它们能处理不同长度的数据,提供了更灵活的输入处理方式。总的来说,理解PyTorch中的LSTM不仅需要掌握理论公式,还要熟悉其函数参数和实际操作流程。
基于LSTM模型的某股票未来股价的预测
在股票预测中,传统循环神经网络在处理长序列时效率会下降。为解决这个问题,LSTM模型引入了细胞状态c,区分短期和长期记忆,有效应对时间序列的复杂性。LSTM神经元通过门控机制管理细胞状态,允许信息的精准流动。以下是LSTM模型结构和应用的简要概述:
首先,LSTM通过接收当前输入xt、前一时刻隐藏状态ht-1和ct-1,生成新的隐藏状态ht和细胞状态ct。它通过控制门来控制长期状态c的保留、短期状态的流入和输出到隐藏层的信息。实验中,使用LSTM模型预测股票价格,利用历史交易数据,包括收盘价、开盘价等,划分训练集和测试集。校园同城源码
程序代码中,get_data函数从Tushare Pro获取股票数据,transform_dataset则将数据转换为模型所需的格式。模型使用LSTM层,训练集和测试集的划分以及MinMaxScaler对数据进行标准化。实验结果表明,尽管天数据预测未来一天的股票价格效果较好,但预测结果存在滞后性和较大误差,这表明单纯依赖历史成交信息难以精确预测股价。
参考文献支持了LSTM在股市预测中的应用,但实验结果提示,预测股票价格仍面临挑战。未来的研究可能需要结合更多因素和更优化的模型来提高预测精度。
大名鼎鼎的LSTM详解
大名鼎鼎的LSTM详解
本文详尽解释了LSTM的起源及其工作原理,特别关注于新手可能遇到的困惑。LSTM在年提出,为解决RNN中长序列处理的梯度消失问题应运而生。它的核心是引入了细胞状态Ct,与传统的隐层状态h有所不同。 LSTM的基本结构包括细胞状态和隐层状态的交互,通过"门"结构进行信息选择性保留和遗忘。遗忘门决定哪些信息被遗忘,输入门负责接收新的信息并选择保留,而输出门则决定输出哪些内容。每个门结构都由一个sigmoid函数和tanh激活函数控制,参数计算涉及输入维度、隐层大小和权重矩阵的维度。 以一个例子来说,若输入向量x_t维度为,隐层大小为,那么遗忘门W_f、W_i、W_c和W_o的参数量为*,加上四个bias参数共计个。在PyTorch实现中,lstm的计算略有不同,利用了分块矩阵技术,但结果保持一致。基于Pytorch的LSTM详解
在深入解析基于Pytorch的LSTM时,我遇到了一些困惑,本文总结了在使用torch.nn.LSTM()函数时的思考与解决策略。
深入探讨torch.nn.LSTM参数解释,尤其关注num_layers和birectional两个参数对LSTM输出的影响。理解LSTM输出分为三部分:output, (h,c),分别代表LSTM所有时间步的隐层结果、LSTM最后一个时间步的隐层结果以及LSTM最后一个时间步的Cell状态。
LSTM的输出与num_layers和birectional参数息息相关。num_layers参数影响LSTM的层数,birectional参数决定输出是否同时包含正向和反向的隐层结果。birectional为True时,输出的最后一个维度为隐藏层维度的两倍,因为输出被分为正向和反向两个部分。麒麟源码论坛这表明,正向和反向的结果被拼接,形成了最终的输出。
在理解输出的组织方式后,可以发现当设置bidirectional为True时,LSTM的输出维度会增加,因此后续层的输入维度应调整为2 * hidden_dim。这使得模型能够同时从正向和反向两个角度捕捉序列信息,显著增强模型的表达能力。
引入注意力机制的LSTM,能有效解决RNN在处理长序列数据时的长期依赖问题。注意力机制通过为每个时间步的输出赋予不同权重,综合考虑序列中各个时间步的信息,进而产生更准确的输出。
下面是一个简单的代码示例,展示如何在LSTM模型中集成注意力机制。在实现过程中,观察张量形状的变化,以理解注意力机制的运作原理。经过调整,模型在文本分类任务上的准确率显著提升。
通过实践发现,注意力机制的加入能显著提升模型性能,特别是在处理较长序列数据时。例如,在一个基于TEXTRNN的文本分类项目中,添加注意力机制后,模型的准确率从约0.5提升至0.8,仅经过2个Epoch左右。尽管项目的细节可能不够严谨,但充分展示了注意力机制在提升模型性能方面的巨大潜力。
神经网络——单层LSTM
LSTM神经网络,全称为长短时记忆神经网络(Long Short-term Memory),是一种特殊的循环神经网络(RNN)。以下从几个方面对LSTM进行介绍。
1. 基本概念
1.1 cell
Cell是构成RNN神经网络的基本单元,能记忆之前输入的状态。LSTM是RNN的一种变种,解决了RNN在训练过程中梯度爆炸和梯度消失的问题。在LSTM中保持了Cell的概念,但与RNN不同的是,LSTM中Cell记忆的是两种状态:1)记忆之前输入的状态c(Tensorflow中称c-state);2)当前输出状态h(Tensorflow中称m-state)。
LSTM的输入是按照时间序列分步进行输入,在每个时间步(Timestep)cell都进行状态更新。在t时刻,cell的记忆状态[公式] 表示Cell记忆t-1以及以前时刻的输入状态, [公式] 表示t-1时刻Cell的输出。于是当多个Cell逻辑连接在一起时,就组成了一个完整的LSTM推断过程,如下图。在一轮LSTM推断中,LSTM输入序列为 [公式] ,春笋公式源码Timestep=t。此时LSTM输出为 [公式] ,然后输入新的序列进行下一轮的推断。
1.2 门
门(Gate)是将LSTM与RNN区分开来的一个重要概念,cell更新状态靠的是门。在cell中,有三个门:遗忘门(Forget Gate),输入门(Input Gate)和输出门(Output Gate)。门的作用是控制数据范围,接下来会围绕下面三个问题对门和cell结构进行解释,1)门的输入数据是什么;2)门的输出数据是什么;3)门控制谁的数据范围。
1)门的输入数据是什么?
门的输入数据是前一个时刻cell的输出[公式] 和当前的输入 [公式] 。
2)门的输出数据是什么?
门的输入数据乘以权值矩阵,然后经过激活函数,即为门的输出,门输出的数据范围与激活函数的类型有关。用函数表示:[公式], [公式] 是激活函数,常用sigmoid函数, [公式] 表示门的输入数据, [公式] 表示权值和偏置(与神经元中的概念是一致的)。
3)门控制谁的数据范围?
2. LSTM结构
LSTM是由cell构成,而cell则是由gate构成。下面来看看gate是怎么构成cell的吧!
前一个时刻cell的输出和当前时刻序列的输入拼接作为各个门的输入,拼接后乘以不同权值矩阵(加上偏置)可以得到不同的门:遗忘门、输入门和输出门。上一时刻cell的记忆状态与遗忘门做element-wise(对应元素相乘),表示遗忘之前时刻的部分信息;输入门与new cell做element-wise,表示加入当前时刻的部分信息;经过遗忘和加入新的记忆,得到cell新的记忆状态。最后与输出门做element-wise,将cell部分信息作为cell的输出。
3. 代码实现
github上有比较好的基于tensorflow实现lstm的例子,对其中部分代码做一些说明和拓展。
4. FPGA实现
加速计算一般是加速推断部分,而训练是在CPU/GPU中进行。将各个权值数据范围弄清楚,设计各个模块就比较简单了。这里记录一下主要模块,在FPGA中实现推断部分需要的计算模块:矩阵计算、存储控制、cell结构。
需要注意的点:
简单实现CNN+LSTM
本文介绍如何简单实现结合CNN和LSTM的模型,以实现对图像的标题生成。首先,作者提出了一种注意力机制,通过Encoder和Decoder结构来处理图像信息和生成标题。输入为单一图像,输出为编码单词的嵌入向量,其中K表示单词总数,C为标题长度。bert源码 model特征向量由CNN提取,长度为[公式],每个向量维度为D。
为了连接图像特征和二维空间,全连接层被应用,允许Decoder根据图像局部选择相关特征。LSTM负责逐字生成标题,其初始状态通过注释向量的均值预测,并使用软注意力机制进行计算。在每个时间步,LSTM会计算每个单词的条件概率,依赖于当前状态、上下文向量和前一个单词。
注意力机制采用独热变量或局部变量,当生成第[i]个单词时,模型会决定注释向量中的哪个部分最相关。使用多努利分布作为随机变量,目标是最大化近似变分下限。硬注意力学习中,通过对注意力位置采样,可以直接计算上下文向量的期望值。
实验部分展示了模型在生成标题时的注意力变化,随着单词生成,模型会逐渐关注图像的相关部分。一个成功的例子显示了模型能够正确聚焦在图像的关键区域,并生成对应的词语。对于实践应用,完整代码可以在github.com/mengjizhiyou...找到。
Python深度学习:用python实现LSTM
在Python中,深度学习中的LSTM(长短期记忆网络)是一个复杂的神经网络结构,用于处理序列数据。LstmLayer类是其核心部分,定义了LSTM层的构造函数,包括输入张量大小(input_width)、状态向量维度(state_width)和学习率(learning_rate)等参数。该类包含多个重要组件,如门的激活函数(如SigmoidActivator和TanhActivator)、状态向量的初始化、前向传播(forward)和反向传播(backward)方法,以及权重矩阵和偏置项的初始化和更新。
在forward方法中,通过计算遗忘门(f)、输入门(i)、输出门(o)和即时状态(ct)来更新单元状态(c)和输出(h)。每个门的计算涉及到与输入(x)、权重矩阵(如Wfh、Wix)以及上一个时刻的状态的交互,并通过激活函数进行调整。
在backward方法中,通过计算误差项(delta_h)和梯度,实现LSTM的反向传播,用于调整权重以优化模型。通过调用calc_gradient函数,逐时刻计算梯度,并在update方法中应用梯度下降算法更新权重。
此外,还有辅助函数如init_state_vec、init_weight_mat等,以及用于初始化和重置LSTM状态的方法reset_state。整个类还包含了用于数据集准备和梯度检查的函数。
要使用LSTM,首先实例化LstmLayer对象,然后通过调用forward方法处理输入数据,最后通过backward方法和反向传播计算梯度进行训练。测试函数test展示了如何使用LSTM处理数据集并进行反向传播。通过这个类,可以灵活地在Python中实现和应用LSTM进行序列数据的处理和预测。
LSTM原理专项介绍
LSTM原理专项介绍
LSTM缓解了RNN中梯度消失的问题,使其可以处理长短时序列。然而,它并未彻底解决梯度消失的问题。各大科技公司广泛应用于文本翻译、语音识别等领域,因其在各种场景下带来了显著的效果提升。
经过多次迭代和优化,LSTM现已成为循环神经网络领域的基石。接下来,我们将一探LSTM的神秘面纱。
在深入探讨LSTM之前,了解其与RNN的相似性与差异性尤为重要。RNN通过在时间轴上共享权重和循环利用信息,处理不同维度的对象,如音频、视频或序列样本。
相比于RNN,LSTM在隐层节点的基础上增加了一个单元状态(cell state)和输入、遗忘、输出门机制,复杂度显著提升。这一设计旨在解决RNN中的梯度消失问题,并提供更有效的特征选择。
在LSTM中,时间步循环原理与RNN类似,但通过门机制实现信息的高效管理。以下图示直观展示了LSTM与RNN在时间步循环过程中的差异。
通过门机制,LSTM实现了对信息的精准控制。遗忘门决定保留的历史信息;输入门选择性地将新信息加入记忆;输出门决定输出哪些记忆信息。这一设计极大地减轻了梯度消失问题,并优化了信息的保留与过滤。
LSTM的门机制主要包括:遗忘门(f)、输入门(i)、输出门(o)和候选记忆(c_hat)。这些组件协同工作,确保了记忆信息的高效更新与输出。
此外,LSTM通过巧妙设计,允许不同时间步的网络具有相同的权重,实现了信息的连续传递与更新。这一特性使得LSTM在处理长短时序列问题时,表现出色。
针对梯度消失问题,LSTM通过门机制控制梯度的传递,使得信息能够在较长时间跨度内保持稳定。尽管LSTM在理论上解决了梯度消失问题,但在序列过长的情况下,仍有可能遇到挑战。
在TensorFlow等深度学习框架中,LSTM集成了正则化手段,如dropout,以进一步优化模型性能,防止过拟合。
LSTM的参数量相对较大,因此在选择隐藏层大小和堆叠层数时需谨慎。隐藏层大小直接影响模型的表达能力与计算成本,而堆叠层数则决定了模型的深度与复杂度。
双向LSTM在处理序列数据时,不仅考虑历史信息,还融入了未来信息,显著提高了模型的预测能力。在情感分类等任务中,双向LSTM常被用于捕获完整序列的信息。
在API选择上,TensorFlow与PyTorch存在差异,但都提供了灵活的参数配置,以适应不同任务的需求。
尽管LSTM在处理序列数据方面表现出色,但其并非完美无缺。在特定场景下,可能需要结合其他模型或技术以进一步提升性能。
LSTM原理
本文从处理时间依赖信息出发,探讨了RNN的原理及其存在的问题,并在此基础上介绍了LSTM,阐述了LSTM如何解决RNN的长时依赖问题。
Long-short term memory,简称LSTM,被广泛应用于语音识别、机器翻译、手写识别等领域。它们由Hochreiter和Schmidhuber引入,并被广泛改进和普及。LSTM是一种具有记忆功能的循环神经网络,能够将时间序列上的信息关联起来,找出其中的特征,从而解决RNN的困难。
RNN
人类思考时并非每次都从空白的大脑开始。在阅读本文时,我们都是基于已有的对所见词的理解来推断当前词的含义。我们不会将所有东西都抛弃,然后用空白的大脑来思考。我们的思想具有持久性。RNN解决了这个问题,它是一种包含循环的神经网络,可以处理随时间变化的信息。
对于具有时序性的数据(如人的行为),如何在相互连接的模型中有效地表示其时序模式是分析的重点。以一个人走路姿态为例,一种处理方法是“时间并行化”,即将每个时间点人的姿态作为一个向量,并行送入传统神经网络中,用空间换取时间。
然而,这种方法存在以下三个方面的缺点:
1) 需要一个输入缓存,当有一定数量的输入序列后才一同送入网络中。然而,从逻辑上存在难题:网络如何来判定何时去检查缓存中的内容?
2) 将时间序列空间化,固定了序列长度,但一个序列的时间模式并不是固定长度的。
3) 最严重的问题是,这种方法无法区分时间序列中的相对位置和绝对位置。例如,以下序列具有相同模式,但由于位置不同,很难区分。
以上方法将时间看作一系列并行输入变量,还有一种方法:将时间抽象化处理,将其影响施加到处理系统上。假设由一个具有记忆功能的处理系统,每个时间点输入都会影响到系统状态。系统的下一个状态是由当前输入和当前状态决定的。用公式表示为:
将公式展开,就发现每个时间点的系统状态都是由以前所有序列决定的。
RNN是一个循环网络,hidden层的输出是由context中的变量和输入变量共同决定的。Context中存储了系统前一时刻的状态,并影响到下一个时刻的输出和系统状态。假设x是系统输入,h为系统状态,而y为系统输出。RNN中各个变量之间的联结关系可以简单表示为:
其中b和c是偏置。W,U,V是权重数据。权重数据能够提取出变量内部的特征。
尽管理论上RNN可以捕获长距离依赖,但在实际应用中,RNN会面临两个挑战:梯度爆炸和梯度消失。
在进行误差反向传播时,我们可以利用链式法则计算误差函数l对h0的偏导数:
我们对W进行奇异值分解:
那么就有:
当t很大时,偏导数的数值取决于最大奇异值是大于1还是小于1。
1)梯度爆炸
此时偏导数会变得很大,实际应用中会遇到NAN的错误,会影响训练的收敛。
2)梯度消失
此时偏导数会趋于0,从而在梯度更新前后没有什么差别,捕获长距离能力下降。
LSTM
LSTM的数学形式为:
符号O表示点乘。看上去LSTM的公式十分复杂,多个中间变量相互依赖。理解LSTM的核心是对C变量(学名细胞状态)的理解。细胞状态是一个记忆单元,它的作用是记住有用的信息,而遗忘无用或者对结果影响较小的信息。人们在看到一件事情或景象时,并不会搜遍脑海中所有记忆的事情,而是会通过相关联的记忆来对当下看到的事情产生思考。Ft作为“遗忘”门控来控制对上个状态的遗忘,忘记无用信息,留下有用信息。Ft是计算上一个时刻的输入、输出以及细胞状态的sigmoid函数,数值位于(0,1)之间。为了有选择地记住新信息,增加了记忆门gt,乘以it可以有选择地记住一些信息。为了有选择地输出信息,还需要一个输出门来进行控制,因为并不是所有记住的信息都和当下需要输出的结果有关,所以输出门控制输出有关信息。整个过程用图就可以表示为:
导致RNN梯度爆炸和消失的主要是这一项求导:
LSTM是对RNN的改进,现在来看cell状态:
我们求导:
Ft是遗忘门的输出值,1表示对信息的保留,0表示舍弃旧的信息。如果选择对信息的保留,那么梯度就不会消失了。但是这也表示ct到ct-1的路径上梯度不会消失,并不能保证其他路径上梯度不会消失。LSTM可以缓解梯度消失,并不能消除,所以其可以解决RNN长期依赖的问题。
总结
RNN和LSTM都属于一种循环神经网络,循环神经网络可以处理时序信息。RNN在训练时,随着时间延长,梯度值的变化会不断被放大,最终导致梯度消失或爆炸。针对这个问题,LSTM通过引入复杂门控来缓解这个问题,可以解决长时依赖问题。
LSTM原理及实战
一、基本原理
理解LSTM首先要了解RNN,RNN的输入和输出都是序列,每个序列元素不仅与当前输入有关,还与序列中更早的输入有关。直观理解,上图展示了一个RNN处理序列数据的过程。在训练RNN时,我们通常使用反向传播通过时间(BPTT)来优化参数。然而,当序列长度过长时,梯度爆炸或梯度消失问题可能影响模型性能。
LSTM(长短时记忆)是一种特殊形式的RNN,通过遗忘门、输入门和输出门实现对信息的控制。LSTM旨在解决长序列训练中的梯度消失和梯度爆炸问题,通过门控机制有效地保存和遗忘信息。LSTM在序列预测、文本生成、语音识别等领域有着广泛的应用。
二、基于Pytorch的实战
在Pytorch中,LSTM模型的核心API用于定义和训练模型。构造器需要初始化隐藏状态(h_0)和细胞状态(c_0),表示模型开始时的状态。在训练过程中,模型会生成新的隐藏状态(h_n)和细胞状态(c_n)。输入序列通常按时间步长组织,输入格式和输出格式取决于batch_first参数。
实际应用中,LSTM可以用于语言模型预测下一个单词、词性标注等任务。Pytorch提供了丰富的API来实现LSTM模型的构建和训练,如定义模型结构、加载预训练权重、调整超参数等。通过编写简单和完整的示例代码,可以轻松地将LSTM应用于实际问题。
参考资料
详细学习Pytorch LSTM API,请参考 pytorch.org/docs/stable...。深入理解LSTM网络原理,请查阅 colah.github.io/posts/2...。了解RNN基础,请参阅 zhuanlan.zhihu.com/p/...。