实例56:使用RNN网络拟合回声信号序列

本文介绍如何使用RNN网络对二进制序列进行模拟回声生成,并通过TensorFlow实现一个包含4个节点的RNN层,用于0/1分类任务。通过实例展示了如何生成数据、定义模型和训练过程,以及可视化结果。

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实例描述

构建一组序列,生成其对应的模拟回声序列。
网络描述:初始输入有5个,其中4个是中间状态,1个是x的序列值。通过一层具有4个节点的RNN网络,再接一个全连接成输出0、1分类。

1.定义参数生成样本数据

导入python库,定义相关参数,取50000个序列样本数据,每个测试数据截取15个序列,回声序列步长为3,最小批次为5。定义生成样本函数generateData,在函数里先随机生成50000个0、1数据的数组x,作为原始的序列,令x里的数据向右循环一定3个位置,生成数据y,作为x的回声序列。

import numpy as np
import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt

num_epochs = 5
total_series_length = 50000
truncated_backprop_length = 15
state_size = 4
num_classes = 2
echo_step = 3
batch_size = 5
num_batches = total_series_length//batch_size//truncated_backprop_length

def generateData():
    x = np.array(np.random.choice(2, total_series_length, p=[0.5, 0.5]))#在0 和1 中选择total_series_length个数
    y = np.roll(x, echo_step)#向右循环移位【1111000】---【0001111】
    y[0:echo_step] = 0

    x = x.reshape((batch_size, -1))  # 5,10000
    y = y.reshape((batch_size, -1))

    return (x, y)
   
batchX_placeholder = tf.placeholder(tf.float32, [batch_size, truncated_backprop_length])
batchY_placeholder = tf.placeholder(tf.int32, [batch_size, truncated_backprop_length])
init_state = tf.placeholder(tf.float32, [batch_size, state_size])

inputs_series = tf.unstack(batchX_placeholder, axis=1)#truncated_backprop_length个序列
labels_series = tf.unstack(batchY_placeholder, axis=1)


current_state = init_state
predictions_series = []
losses =[]
for current_input, labels in zip(inputs_series,labels_series):
    current_input = tf.reshape(current_input, [batch_size, 1])
    input_and_state_concatenated = tf.concat([current_input, current_state],1)  # current_state 4  +1

    next_state = tf.contrib.layers.fully_connected(input_and_state_concatenated,state_size
                                                    ,activation_fn=tf.tanh)
    current_state = next_state
    logits =tf.contrib.layers.fully_connected(next_state,num_classes,activation_fn=None)
    loss = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(labels=labels,logits=logits)
    losses.append(loss)
    predictions = tf.nn.softmax(logits)
    predictions_series.append(predictions)
    

total_loss = tf.reduce_mean(losses)
train_step = tf.train.AdagradOptimizer(0.3).minimize(total_loss)

def plot(loss_list, predictions_series, batchX, batchY):
    plt.subplot(2, 3, 1)
    plt.cla()
    plt.plot(loss_list)

    for batch_series_idx in range(batch_size):
        one_hot_output_series = np.array(predictions_series)[:, batch_series_idx, :]
        single_output_series = np.array([(1 if out[0] < 0.5 else 0) for out in one_hot_output_series])

        plt.subplot(2, 3, batch_series_idx + 2)
        plt.cla()
        plt.axis([0, truncated_backprop_length, 0, 2])
        left_offset = range(truncated_backprop_length)
        left_offset2 = range(echo_step,truncated_backprop_length+echo_step)
        
        label1 = "past values"
        label2 = "True echo values" 
        label3 = "Predictions"      
        plt.plot(left_offset2, batchX[batch_series_idx, :]*0.2+1.5, "o--b", label=label1)
        plt.plot(left_offset, batchY[batch_series_idx, :]*0.2+0.8,"x--b", label=label2)
        plt.plot(left_offset,  single_output_series*0.2+0.1 , "o--y", label=label3)
    
    plt.legend(loc='best')
    plt.draw()
    plt.pause(0.0001)

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    plt.ion()
    plt.figure()
    plt.show()
    loss_list = []

    for epoch_idx in range(num_epochs):
        x,y = generateData()
        _current_state = np.zeros((batch_size, state_size))

        print("New data, epoch", epoch_idx)

        for batch_idx in range(num_batches):#50000/ 5 /15=分成多少段
            start_idx = batch_idx * truncated_backprop_length
            end_idx = start_idx + truncated_backprop_length

            batchX = x[:,start_idx:end_idx]
            batchY = y[:,start_idx:end_idx]

            _total_loss, _train_step, _current_state, _predictions_series = sess.run(
                [total_loss, train_step, current_state, predictions_series],
                feed_dict={
                    batchX_placeholder:batchX,
                    batchY_placeholder:batchY,
                    init_state:_current_state
                })

            loss_list.append(_total_loss)

            if batch_idx%100 == 0:
                print("Step",batch_idx, "Loss", _total_loss)
                plot(loss_list, _predictions_series, batchX, batchY)

plt.ioff()
plt.show()    
### 使用液态神经网络 (Liquid Neural Network, LNN) 进行股票预测的方法 液态神经网络(LNN),也被称为液体状态机(Liquid State Machine, LSM)或回声状态网络(Echo State Network, ESN),是一种特殊的递归神经网络RNN)。它特别适合用于时间序列数据建模,因此在股票价格预测方面具有潜在的应用价值。 #### 1. 数据预处理 在应用LNN进行股票预测前,通常需要对原始金融数据进行标准化和特征提取。这一步骤类似于其他机器学习模型中的数据准备过程。例如,在时间序列分析中,常用的技术指标如移动平均线(MA)、相对强弱指数(RSI)等可以被纳入输入特征集合[^3]。 #### 2. 构建LNN架构 LNN的核心在于其内部动态系统的复杂性和自适应能力。具体来说: - **储备池设计**:构建一个大规模随机连接的节点网络作为储备池。这些节点之间的权重通常是固定的,并且不需要训练调整。 - **读出机制**:通过简单的线性回归或其他监督学习方法训练输出层参数,从而完成从储备池状态到目标变量(如未来股价变化方向)的映射。 #### 3. 训练与优化 尽管传统意义上的反向传播算法不适用于ESN/LSM这类结构,但由于它们仅需调节少量外部可调参数(即输出权值矩阵Wout),实际操作上仍较为简便高效。此外,还可以结合正则化技术防止过拟合现象发生[^2]。 #### 4. 性能评估 对于任何预测模型而言,准确度衡量标准至关重要。针对股票市场这种高度波动性的环境,除了均方误差(MSE)之外,也可以考虑采用分类错误率(accuracy rate when predicting up/down movements),夏普比率(sharpe ratio based on simulated portfolio returns)等多种评价指标综合考量系统表现优劣程度。 ```python import numpy as np from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler from reservoirpy.nodes import Reservoir, Ridge def preprocess_data(data): scaler = MinMaxScaler(feature_range=(-1, 1)) scaled_data = scaler.fit_transform(np.array(data).reshape(-1, 1)) return scaled_data # Example of creating an LNN model with a simple reservoir reservoir_size = 100 input_dim = 1 output_dim = 1 reservoir = Reservoir(units=reservoir_size, sr=0.95, input_scaling=0.5) readout = Ridge(alpha=1e-8) model = reservoir >> readout # Assume `X_train`, `y_train` are preprocessed training data sequences. model.fit(X_train, y_train) predictions = model.run(X_test) ``` 上述代码片段展示了如何创建并运行一个基本形式下的液态神经网路实例来进行单步超前预测任务。 ---
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