《动手学深度学习》
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6.4. 循环神经网络的从零开始实现

在本节中,我们将从零开始实现一个基于字符级循环神经网络的语言模型,并在周杰伦专辑歌词数据集上训练一个模型来进行歌词创作。首先,我们读取周杰伦专辑歌词数据集:

In [1]:
import d2lzh as d2l
import math
from mxnet import autograd, nd
from mxnet.gluon import loss as gloss
import time

(corpus_indices, char_to_idx, idx_to_char,
 vocab_size) = d2l.load_data_jay_lyrics()

6.4.1. one-hot向量

为了将词表示成向量输入到神经网络,一个简单的办法是使用one-hot向量。假设词典中不同字符的数量为\(N\)(即词典大小vocab_size),每个字符已经同一个从0到\(N-1\)的连续整数值索引一一对应。如果一个字符的索引是整数\(i\), 那么我们创建一个全0的长为\(N\)的向量,并将其位置为\(i\)的元素设成1。该向量就是对原字符的one-hot向量。下面分别展示了索引为0和2的one-hot向量,向量长度等于词典大小。

In [2]:
nd.one_hot(nd.array([0, 2]), vocab_size)
Out[2]:

[[1. 0. 0. ... 0. 0. 0.]
 [0. 0. 1. ... 0. 0. 0.]]
<NDArray 2x1027 @cpu(0)>

我们每次采样的小批量的形状是(批量大小, 时间步数)。下面的函数将这样的小批量变换成数个可以输入进网络的形状为(批量大小, 词典大小)的矩阵,矩阵个数等于时间步数。也就是说,时间步\(t\)的输入为\(\boldsymbol{X}_t \in \mathbb{R}^{n \times d}\),其中\(n\)为批量大小,\(d\)为输入个数,即one-hot向量长度(词典大小)。

In [3]:
def to_onehot(X, size):  # 本函数已保存在d2lzh包中方便以后使用
    return [nd.one_hot(x, size) for x in X.T]

X = nd.arange(10).reshape((2, 5))
inputs = to_onehot(X, vocab_size)
len(inputs), inputs[0].shape
Out[3]:
(5, (2, 1027))

6.4.2. 初始化模型参数

接下来,我们初始化模型参数。隐藏单元个数 num_hiddens是一个超参数。

In [4]:
num_inputs, num_hiddens, num_outputs = vocab_size, 256, vocab_size
ctx = d2l.try_gpu()
print('will use', ctx)

def get_params():
    def _one(shape):
        return nd.random.normal(scale=0.01, shape=shape, ctx=ctx)

    # 隐藏层参数
    W_xh = _one((num_inputs, num_hiddens))
    W_hh = _one((num_hiddens, num_hiddens))
    b_h = nd.zeros(num_hiddens, ctx=ctx)
    # 输出层参数
    W_hq = _one((num_hiddens, num_outputs))
    b_q = nd.zeros(num_outputs, ctx=ctx)
    # 附上梯度
    params = [W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q]
    for param in params:
        param.attach_grad()
    return params
will use gpu(0)

6.4.3. 定义模型

我们根据循环神经网络的计算表达式实现该模型。首先定义init_rnn_state函数来返回初始化的隐藏状态。它返回由一个形状为(批量大小, 隐藏单元个数)的值为0的NDArray组成的元组。使用元组是为了更便于处理隐藏状态含有多个NDArray的情况。

In [5]:
def init_rnn_state(batch_size, num_hiddens, ctx):
    return (nd.zeros(shape=(batch_size, num_hiddens), ctx=ctx), )

下面的rnn函数定义了在一个时间步里如何计算隐藏状态和输出。这里的激活函数使用了tanh函数。“多层感知机”一节中介绍过,当元素在实数域上均匀分布时,tanh函数值的均值为0。

In [6]:
def rnn(inputs, state, params):
    # inputs和outputs皆为num_steps个形状为(batch_size, vocab_size)的矩阵
    W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q = params
    H, = state
    outputs = []
    for X in inputs:
        H = nd.tanh(nd.dot(X, W_xh) + nd.dot(H, W_hh) + b_h)
        Y = nd.dot(H, W_hq) + b_q
        outputs.append(Y)
    return outputs, (H,)

做个简单的测试来观察输出结果的个数(时间步数),以及第一个时间步的输出层输出的形状和隐藏状态的形状。

In [7]:
state = init_rnn_state(X.shape[0], num_hiddens, ctx)
inputs = to_onehot(X.as_in_context(ctx), vocab_size)
params = get_params()
outputs, state_new = rnn(inputs, state, params)
len(outputs), outputs[0].shape, state_new[0].shape
Out[7]:
(5, (2, 1027), (2, 256))

6.4.4. 定义预测函数

以下函数基于前缀prefix(含有数个字符的字符串)来预测接下来的num_chars个字符。这个函数稍显复杂,其中我们将循环神经单元rnn设置成了函数参数,这样在后面小节介绍其他循环神经网络时能重复使用这个函数。

In [8]:
# 本函数已保存在d2lzh包中方便以后使用
def predict_rnn(prefix, num_chars, rnn, params, init_rnn_state,
                num_hiddens, vocab_size, ctx, idx_to_char, char_to_idx):
    state = init_rnn_state(1, num_hiddens, ctx)
    output = [char_to_idx[prefix[0]]]
    for t in range(num_chars + len(prefix) - 1):
        # 将上一时间步的输出作为当前时间步的输入
        X = to_onehot(nd.array([output[-1]], ctx=ctx), vocab_size)
        # 计算输出和更新隐藏状态
        (Y, state) = rnn(X, state, params)
        # 下一个时间步的输入是prefix里的字符或者当前的最佳预测字符
        if t < len(prefix) - 1:
            output.append(char_to_idx[prefix[t + 1]])
        else:
            output.append(int(Y[0].argmax(axis=1).asscalar()))
    return ''.join([idx_to_char[i] for i in output])

我们先测试一下predict_rnn函数。我们将根据前缀“分开”创作长度为10个字符(不考虑前缀长度)的一段歌词。因为模型参数为随机值,所以预测结果也是随机的。

In [9]:
predict_rnn('分开', 10, rnn, params, init_rnn_state, num_hiddens, vocab_size,
            ctx, idx_to_char, char_to_idx)
Out[9]:
'分开彩倦者灌装碎妙距h滴'

6.4.5. 裁剪梯度

循环神经网络中较容易出现梯度衰减或梯度爆炸。我们会在“通过时间反向传播”一节中解释原因。为了应对梯度爆炸,我们可以裁剪梯度(clip gradient)。假设我们把所有模型参数梯度的元素拼接成一个向量 \(\boldsymbol{g}\),并设裁剪的阈值是\(\theta\)。裁剪后的梯度

\[\min\left(\frac{\theta}{\|\boldsymbol{g}\|}, 1\right)\boldsymbol{g}\]

\(L_2\)范数不超过\(\theta\)

In [10]:
# 本函数已保存在d2lzh包中方便以后使用
def grad_clipping(params, theta, ctx):
    norm = nd.array([0], ctx)
    for param in params:
        norm += (param.grad ** 2).sum()
    norm = norm.sqrt().asscalar()
    if norm > theta:
        for param in params:
            param.grad[:] *= theta / norm

6.4.6. 困惑度

我们通常使用困惑度(perplexity)来评价语言模型的好坏。回忆一下“softmax回归”一节中交叉熵损失函数的定义。困惑度是对交叉熵损失函数做指数运算后得到的值。特别地,

  • 最佳情况下,模型总是把标签类别的概率预测为1,此时困惑度为1;
  • 最坏情况下,模型总是把标签类别的概率预测为0,此时困惑度为正无穷;
  • 基线情况下,模型总是预测所有类别的概率都相同,此时困惑度为类别个数。

显然,任何一个有效模型的困惑度必须小于类别个数。在本例中,困惑度必须小于词典大小vocab_size

6.4.7. 定义模型训练函数

跟之前章节的模型训练函数相比,这里的模型训练函数有以下几点不同:

  1. 使用困惑度评价模型。
  2. 在迭代模型参数前裁剪梯度。
  3. 对时序数据采用不同采样方法将导致隐藏状态初始化的不同。相关讨论可参考“语言模型数据集(周杰伦专辑歌词)”一节。

另外,考虑到后面将介绍的其他循环神经网络,为了更通用,这里的函数实现更长一些。

In [11]:
# 本函数已保存在d2lzh包中方便以后使用
def train_and_predict_rnn(rnn, get_params, init_rnn_state, num_hiddens,
                          vocab_size, ctx, corpus_indices, idx_to_char,
                          char_to_idx, is_random_iter, num_epochs, num_steps,
                          lr, clipping_theta, batch_size, pred_period,
                          pred_len, prefixes):
    if is_random_iter:
        data_iter_fn = d2l.data_iter_random
    else:
        data_iter_fn = d2l.data_iter_consecutive
    params = get_params()
    loss = gloss.SoftmaxCrossEntropyLoss()

    for epoch in range(num_epochs):
        if not is_random_iter:  # 如使用相邻采样,在epoch开始时初始化隐藏状态
            state = init_rnn_state(batch_size, num_hiddens, ctx)
        l_sum, n, start = 0.0, 0, time.time()
        data_iter = data_iter_fn(corpus_indices, batch_size, num_steps, ctx)
        for X, Y in data_iter:
            if is_random_iter:  # 如使用随机采样,在每个小批量更新前初始化隐藏状态
                state = init_rnn_state(batch_size, num_hiddens, ctx)
            else:  # 否则需要使用detach函数从计算图分离隐藏状态
                for s in state:
                    s.detach()
            with autograd.record():
                inputs = to_onehot(X, vocab_size)
                # outputs有num_steps个形状为(batch_size, vocab_size)的矩阵
                (outputs, state) = rnn(inputs, state, params)
                # 拼接之后形状为(num_steps * batch_size, vocab_size)
                outputs = nd.concat(*outputs, dim=0)
                # Y的形状是(batch_size, num_steps),转置后再变成长度为
                # batch * num_steps 的向量,这样跟输出的行一一对应
                y = Y.T.reshape((-1,))
                # 使用交叉熵损失计算平均分类误差
                l = loss(outputs, y).mean()
            l.backward()
            grad_clipping(params, clipping_theta, ctx)  # 裁剪梯度
            d2l.sgd(params, lr, 1)  # 因为误差已经取过均值,梯度不用再做平均
            l_sum += l.asscalar() * y.size
            n += y.size

        if (epoch + 1) % pred_period == 0:
            print('epoch %d, perplexity %f, time %.2f sec' % (
                epoch + 1, math.exp(l_sum / n), time.time() - start))
            for prefix in prefixes:
                print(' -', predict_rnn(
                    prefix, pred_len, rnn, params, init_rnn_state,
                    num_hiddens, vocab_size, ctx, idx_to_char, char_to_idx))

6.4.8. 训练模型并创作歌词

现在我们可以训练模型了。首先,设置模型超参数。我们将根据前缀“分开”和“不分开”分别创作长度为50个字符(不考虑前缀长度)的一段歌词。我们每过50个迭代周期便根据当前训练的模型创作一段歌词。

In [12]:
num_epochs, num_steps, batch_size, lr, clipping_theta = 200, 35, 32, 1e2, 1e-2
pred_period, pred_len, prefixes = 50, 50, ['分开', '不分开']

下面采用随机采样训练模型并创作歌词。

In [13]:
train_and_predict_rnn(rnn, get_params, init_rnn_state, num_hiddens,
                      vocab_size, ctx, corpus_indices, idx_to_char,
                      char_to_idx, True, num_epochs, num_steps, lr,
                      clipping_theta, batch_size, pred_period, pred_len,
                      prefixes)
epoch 50, perplexity 67.945065, time 0.27 sec
 - 分开 我不要再想 我不能再想 我不能再想 我不能再想 我不能再想 我不能再想 我不能再想 我不能再想 我
 - 不分开 快使我有 你是 我不要再 快颗 一壶棍  什么 娘子 让我的红 就小 我满 我不 我不要再想 我不
epoch 100, perplexity 9.438903, time 0.27 sec
 - 分开 一直的客栈在多 牧草有没有 我马儿有些瘦 如知不觉 你已经离开我 不知你觉我 相思可红 我已了这节
 - 不分开永 我想要这不能 不知不觉 你已经离开我 不知你的我不多 难小 你已再久了我 说散 你想很久了吧?
epoch 150, perplexity 2.672894, time 0.27 sec
 - 分开 一直想 教不的 是属都有了 老唱盘 旧皮箱 装属于有 沙静忆 的片段 有间些好霜 老街坊 小皮堂
 - 不分开扫 我想你这 你打我妈 这样了容 你这梦纵 你一不空 一句不种 你一定 连墟载囱  谁有 在对光义的
epoch 200, perplexity 1.535355, time 0.27 sec
 - 分开 一直心娘子 谁让它停留  它人沙传 有使事双截  哼哼悄对默有天事 将和轻最最写 我每一起里  后
 - 不分开期 我叫你爸 你打我妈 这样对吗干嘛这样 何必让酒牵边子B 瞎 说在之里 再堡 双截棍 旧子了 什么

接下来采用相邻采样训练模型并创作歌词。

In [14]:
train_and_predict_rnn(rnn, get_params, init_rnn_state, num_hiddens,
                      vocab_size, ctx, corpus_indices, idx_to_char,
                      char_to_idx, False, num_epochs, num_steps, lr,
                      clipping_theta, batch_size, pred_period, pred_len,
                      prefixes)
epoch 50, perplexity 61.198420, time 0.27 sec
 - 分开 我想要这样 我不要你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我
 - 不分开 我想要这样 我不要你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我不能你想 我
epoch 100, perplexity 7.314102, time 0.27 sec
 - 分开 我说想这样牵 你你想的你都多天着卷风 离不开暴爱圈我不起  才在云有 有对一发 一我悲红 说样的钟
 - 不分开 太你说 我想就这样牵着你的手不放开 爱可不可以简简单单没有 害我妈 一颗两颗三颗四步 连成线背著背
epoch 150, perplexity 2.092091, time 0.27 sec
 - 分开 我后啊 爱你我道起着 有话去对医药箱说 别怪我 别怪我 说你怎么 对来心碗的溪边河口默默等著我 娘
 - 不分开 太你的话小面 一直到我们都睡着 我想就这样牵着你的手不放开 爱可不可以简简单单没有伤害 你 靠着我
epoch 200, perplexity 1.304845, time 0.27 sec
 - 分开 问候我 谁是神枪手 巫师 他念念 有词的 对酋长下诅咒 还我骷髅头 这故事 告诉我 印地安的传说
 - 不分开 爸你去说你打 有说啊 是不么 不想都有 在漠伦 告诉我 印地了口传说 不着依 你不了 什么都有 这

6.4.9. 小结

  • 可以用基于字符级循环神经网络的语言模型来生成文本序列,例如创作歌词。
  • 当训练循环神经网络时,为了应对梯度爆炸,可以裁剪梯度。
  • 困惑度是对交叉熵损失函数做指数运算后得到的值。

6.4.10. 练习

  • 调调超参数,观察并分析对运行时间、困惑度以及创作歌词的结果造成的影响。
  • 不裁剪梯度,运行本节中的代码,结果会怎样?
  • pred_period变量设为1,观察未充分训练的模型(困惑度高)是如何创作歌词的。你获得了什么启发?
  • 将相邻采样改为不从计算图分离隐藏状态,运行时间有没有变化?
  • 将本节中使用的激活函数替换成ReLU,重复本节的实验。

6.4.11. 扫码直达讨论区

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