3-2长短时记忆神经网络(LSTM)--Keras实现

点击查看完整代码http://www.daimapi.com/neuralnetwork3_2/

该代码利用Python3实现,利用到了深度学习工具包Keras。

Keras是一个高层神经网络API,Keras由纯Python编写而成并基Tensorflow、Theano以及CNTK后端。Keras的主要特点:1.简易和快速的原型设计(keras具有高度模块化,极简,和可扩充特性);2.支持CNN和RNN,或二者的结合;3.无缝CPU和GPU切换。

# -*- coding: utf-8 -*-
# 利用LSTM来做一个三字母到一个字母的映射
import numpy
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense
from keras.layers import LSTM
from keras.utils import np_utils

# 固定随机种子,为了重现结果
numpy.random.seed(7)

# 定义原始数据集
alphabet = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"

# 创建字符到整数的映射(0到25)和反向映射
char_to_int = dict((c, i) for i, c in enumerate(alphabet))
int_to_char = dict((i, c) for i, c in enumerate(alphabet))

# 准备输出,即将输入对应的输出编码为整数
seq_length = 3
dataX = []
dataY = []
for i in range(0, len(alphabet) - seq_length, 1):
    seq_in = alphabet[i:i + seq_length]
    seq_out = alphabet[i + seq_length]
    dataX.append([char_to_int[char] for char in seq_in])
    dataY.append(char_to_int[seq_out])
    print(seq_in, '->', seq_out)

# 将X变形为[samples, time steps, features]
X = numpy.reshape(dataX, (len(dataX), seq_length, 1))

# 标准化
X = X / float(len(alphabet))

# 将输出变量进行独热编码
y = np_utils.to_categorical(dataY)

长短时记忆网络LSTM)是一种特殊的循环神经网络(RNN),其设计目的是解决传统RNN在处理长序列数据时遇到的梯度消失或梯度爆炸问题。LSTM通过引入自循环的巧妙设计,使得信息能够在网络中长期保留或遗忘,从而能够捕获长距离的时间依赖关系[^3]。 ### LSTM的基本结构 LSTM的核心思想是通过引入一个称为“细胞状态”(cell state)的机制来保持信息,并使用三个门控机制(输入门、遗忘门和输出门)来控制信息的流动: 1. **细胞状态**:这是LSTM的主要创新之一,它允许信息在整个序列中传递而不被改变,除非通过特定的门控机制进行修改。这种设计有助于缓解梯度消失的问题。 2. **输入门**:决定哪些新信息将被添加到细胞状态中。它通常由一个sigmoid激活函数和一个tanh激活函数组成,前者决定哪些值会被更新,后者创建一个新的候选值向量。 3. **遗忘门**:决定哪些信息将从细胞状态中丢弃。这个门的作用类似于一个开关,可以完全保留或者完全删除某些信息片段。 4. **输出门**:确定基于当前细胞状态的输出值。首先,一个sigmoid层决定细胞状态的哪部分将被输出;然后,该部分经过tanh处理并乘以sigmoid门的结果,最终产生输出。 ### LSTM的工作原理 LSTM的工作流程可以分为以下几个步骤: - **遗忘阶段**:根据当前输入和前一时刻的隐藏状态,计算出遗忘门的输出,用于决定哪些信息需要从细胞状态中移除。 - **学习阶段**:这一步包括两个子步骤: - 输入门生成新的候选值,这些值可能被加入到细胞状态中。 - 更新细胞状态,即结合遗忘门的结果和输入门生成的新候选值来更新细胞状态。 - **输出阶段**:基于更新后的细胞状态,计算输出门的输出,以确定最终的输出值。 这样的机制让LSTM能够在处理序列数据时有效地记住长期的信息,同时也能灵活地忘记不再相关的旧信息,这对于许多任务来说是非常重要的能力,例如自然语言处理、语音识别和时间序列预测等[^1]。 以下是LSTM的一个简单实现示例,这里使用Python和TensorFlow/Keras库来构建一个基本的LSTM模型: ```python from tensorflow.keras.models import Sequential from tensorflow.keras.layers import LSTM, Dense # 假设我们已经有了预处理好的数据X_train和y_train model = Sequential() model.add(LSTM(units=50, return_sequences=True, input_shape=(X_train.shape[1], 1))) model.add(LSTM(units=50)) model.add(Dense(1)) model.compile(optimizer='adam', loss='mean_squared_error') model.fit(X_train, y_train, epochs=1, batch_size=1) ``` 这段代码定义了一个包含两层LSTM的模型,其中第一层返回完整的输出序列,而第二层只返回最后一个输出。最后连接了一个全连接层,用来做出预测。编译模型时选择了Adam优化器和均方误差损失函数,这通常是回归问题的标准选择。
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