从零构建递归神经网络:仅用NumPy实现
作者:一滴水 | 来源:互联网 | 2024-12-26 11:29
尽管使用TensorFlow和PyTorch等成熟框架可以显著降低实现递归神经网络(RNN)的门槛,但对于初学者来说,理解其底层原理至关重要。本文将引导您使用NumPy从头构建一个用于自然语言处理(NLP)的RNN模型。
在现代深度学习框架如TensorFlow和PyTorch的帮助下,递归神经网络(RNN)的实现变得更加容易。然而,对于初学者而言,掌握其基本原理和内部机制是至关重要的。本文将详细介绍如何仅使用NumPy库从头开始构建一个RNN,并应用于自然语言处理任务。 ### 初始化参数 与传统神经网络不同,RNN具有三个权重参数:输入权重、内部状态权重和输出权重。这些参数需要初始化为随机值。此外,还需要设置词嵌入维度和输出维度。例如,假设词嵌入维度为100,输出维度为80(表示词汇表中的唯一词向量总数)。代码如下: ```python hidden_dim = 100 output_dim = 80 # 总词汇表中唯一的词数 input_weights = np.random.uniform(0, 1, (hidden_dim, hidden_dim)) internal_state_weights = np.random.uniform(0, 1, (hidden_dim, hidden_dim)) output_weights = np.random.uniform(0, 1, (output_dim, hidden_dim)) ``` 变量`prev_memory`表示前一时间步的内部状态,其他参数如学习率、序列长度和截断反向传播的时间戳数也需初始化。 ### 前向传播 考虑一个简单的句子“I like to play.”,其中每个单词映射到词汇表中的索引。为了展示从输入到输出的过程,我们先随机初始化每个单词的词嵌入。 ```python input_string = [2, 45, 10, 65] # 单词索引列表 embeddings = [] # 存储每个单词的嵌入向量 for i in range(len(input_string)): x = np.random.randn(hidden_dim, 1) embeddings.append(x) ``` RNN单元接受输入后,输出下一个最可能出现的单词。训练时,给定第t+1个词作为输出,将第t个词作为输入。计算损失函数所需的输出格式为独热编码(One-Hot)矢量。 ### RNN的黑箱计算 有了权重参数和输入输出,接下来进行前向传播的计算。关键公式包括输入权重乘以输入向量、内部状态权重乘以前一层的激活,以及使用tanh激活函数。 ```python def tanh_activation(Z): return np.tanh(Z) def softmax_activation(Z): e_x = np.exp(Z - np.max(Z)) return e_x / e_x.sum(axis=0) def rnn_forward(input_embedding, input_weights, internal_state_weights, prev_memory, output_weights): W_frd = np.dot(internal_state_weights, prev_memory) U_frd = np.dot(input_weights, input_embedding) sum_s = W_frd + U_frd ht_activated = tanh_activation(sum_s) yt_unactivated = np.dot(output_weights, ht_activated) yt_activated = softmax_activation(yt_unactivated) return ht_activated, yt_activated ``` ### 计算损失函数 损失函数采用交叉熵损失函数,计算公式如下: ```python def calculate_loss(output_mapper, predicted_output): total_loss = 0 for y, y_ in zip(output_mapper.values(), predicted_output): loss = -sum(y[i] * np.log2(y_[i]) for i in range(len(y))) loss /= float(len(y)) total_loss += loss return total_loss / float(len(predicted_output)) ``` ### 反向传播 反向传播通过链式法则计算梯度。对于RNN,需要计算三个梯度:输入权重、内部状态权重和输出权重的梯度。 ```python def delta_cross_entropy(predicted_output, original_t_output): grad = predicted_output.copy() for i, l in enumerate(original_t_output): if l == 1: grad[i] -= 1 return grad # 梯度计算函数 def multiplication_backward(weights, x, dz): gradient_weight = np.dot(dz, x.T) chain_gradient = np.dot(weights.T, dz) return gradient_weight, chain_gradient def add_backward(x1, x2, dz): dx1 = dz * np.ones_like(x1) dx2 = dz * np.ones_like(x2) return dx1, dx2 def tanh_activation_backward(x, top_diff): output = np.tanh(x) return (1.0 - np.square(output)) * top_diff # 单个时间戳的反向传播 def single_backprop(X, input_weights, internal_state_weights, output_weights, ht_activated, dLo, forward_params_t, diff_s, prev_s): W_frd = forward_params_t[0][0] U_frd = forward_params_t[0][1] ht_unactivated = forward_params_t[0][2] yt_unactivated = forward_params_t[0][3] dV, dsv = multiplication_backward(output_weights, ht_activated, dLo) ds = np.add(dsv, diff_s) dadd = tanh_activation_backward(ht_unactivated, ds) dmulw, dmulu = add_backward(U_frd, W_frd, dadd) dW, dprev_s = multiplication_backward(internal_state_weights, prev_s, dmulw) dU, dx = multiplication_backward(input_weights, X, dmulu) return dprev_s, dU, dW, dV # 截断反向传播 def rnn_backprop(embeddings, memory, output_t, dU, dV, dW, bptt_truncate, input_weights, output_weights, internal_state_weights): T = len(embeddings) for t in range(T-1, -1, -1): prev_s_t = np.zeros((hidden_dim, 1)) diff_s = np.zeros((hidden_dim, 1)) predictiOns= memory[f"yt{t}"] ht_activated = memory[f"ht{t}"] forward_params_t = memory[f"params{t}"] dLo = delta_cross_entropy(predictions, output_t[t]) dprev_s, dU_t, dW_t, dV_t = single_backprop(embeddings[t], input_weights, internal_state_weights, output_weights, ht_activated, dLo, forward_params_t, diff_s, prev_s_t) dU += dU_t dW += dW_t dV += dV_t if t > 0: for i in range(t-1, max(-1, t-bptt_truncate), -1): forward_params_t = memory[f"params{i}"] ht_activated = memory[f"ht{i}"] prev_s_i = np.zeros((hidden_dim, 1)) if i == 0 else memory[f"ht{prev}"] dprev_s, dU_i, dW_i, dV_i = single_backprop(embeddings[t], input_weights, internal_state_weights, output_weights, ht_activated, dLo, forward_params_t, dprev_s, prev_s_i) dU += dU_i dW += dW_i dV += dV_i return dU, dW, dV ``` ### 权重更新 使用批量梯度下降法更新权重。 ```python def gd_step(learning_rate, dU, dW, dV, input_weights, internal_state_weights, output_weights): input_weights -= learning_rate * dU internal_state_weights -= learning_rate * dW output_weights -= learning_rate * dV return input_weights, internal_state_weights, output_weights ``` ### 训练过程 完成所有步骤后,可以开始训练神经网络。训练过程中,可以选择静态或动态调整学习率。 ```python def train(T, embeddings, output_t, output_mapper, input_weights, internal_state_weights, output_weights, dU, dW, dV, prev_memory, learning_rate=0.001, nepoch=100, evaluate_loss_after=2): losses = [] for epoch in range(nepoch): if epoch % evaluate_loss_after == 0: output_string, memory = full_forward_prop(T, embeddings, input_weights, internal_state_weights, prev_memory, output_weights) loss = calculate_loss(output_mapper, output_string) losses.append(loss) print(f"{datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')}: Loss after epoch={epoch}: {loss}") dU, dW, dV = rnn_backprop(embeddings, memory, output_t, dU, dV, dW, bptt_truncate, input_weights, output_weights, internal_state_weights) input_weights, internal_state_weights, output_weights = gd_step(learning_rate, dU, dW, dV, input_weights, internal_state_weights, output_weights) return losses losses = train(T, embeddings, output_t, output_mapper, input_weights, internal_state_weights, output_weights, dU, dW, dV, prev_memory, learning_rate=0.0001, nepoch=10, evaluate_loss_after=2) ``` 恭喜!您已经成功从零构建了一个递归神经网络。接下来,可以进一步探索LSTM和GRU等更高级的架构。
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