task03--循环神经网络进阶

本文深入探讨了循环神经网络(RNN)的高级概念,包括门控循环单元(GRU)、长短期记忆网络(LSTM)及其在捕捉序列数据长期依赖关系中的应用。详细解析了GRU如何通过重置门和更新门解决RNN的梯度消失问题,以及LSTM如何利用遗忘门、输入门和输出门控制信息流。此外,还介绍了深度RNN和双向RNN在抽取深层次语义信息和利用上下文信息方面的优势。

循环神经网络进阶

1、GRU

RNN存在的问题:梯度较容易出现衰减或爆炸(BPTT)
⻔控循环神经⽹络:捕捉时间序列中时间步距离较⼤的依赖关系
RNN:

Image Name

Ht=ϕ(XtWxh+Ht−1Whh+bh) H_{t} = ϕ(X_{t}W_{xh} + H_{t-1}W_{hh} + b_{h}) Ht=ϕ(XtWxh+Ht1Whh+bh)
GRU:

Image Name

Rt=σ(XtWxr+Ht−1Whr+br)Zt=σ(XtWxz+Ht−1Whz+bz)H~t=tanh(XtWxh+(Rt⊙Ht−1)Whh+bh)Ht=Zt⊙Ht−1+(1−Zt)⊙H~t R_{t} = σ(X_tW_{xr} + H_{t−1}W_{hr} + b_r)\\ Z_{t} = σ(X_tW_{xz} + H_{t−1}W_{hz} + b_z)\\ \widetilde{H}_t = tanh(X_tW_{xh} + (R_t ⊙H_{t−1})W_{hh} + b_h)\\ H_t = Z_t⊙H_{t−1} + (1−Z_t)⊙\widetilde{H}_t Rt=σ(XtWxr+Ht1Whr+br)Zt=σ(XtWxz+Ht1Whz+bz)Ht=tanh(XtWxh+(RtHt1)Whh+bh)Ht=ZtHt1+(1Zt)Ht
(Rt 、Zt 、 的形状都是h,Wxr Wxz 的形状是Xh,Whr Whz 的形状是hh)

• 重置⻔有助于捕捉时间序列⾥短期的依赖关系;
• 更新⻔有助于捕捉时间序列⾥⻓期的依赖关系。

def gru(inputs, state, params):
    W_xz, W_hz, b_z, W_xr, W_hr, b_r, W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q = params
    H, = state
    outputs = []
    for X in inputs:
        Z = torch.sigmoid(torch.matmul(X, W_xz) + torch.matmul(H, W_hz) + b_z)
        R = torch.sigmoid(torch.matmul(X, W_xr) + torch.matmul(H, W_hr) + b_r)
        H_tilda = torch.tanh(torch.matmul(X, W_xh) + R * torch.matmul(H, W_hh) + b_h)
        H = Z * H + (1 - Z) * H_tilda
        Y = torch.matmul(H, W_hq) + b_q
        outputs.append(Y)
    return outputs, (H,)
2、LSTM

长短期记忆long short-term memory
遗忘门:控制上一时间步的记忆细胞
输入门:控制当前时间步的输入
输出门:控制从记忆细胞到隐藏状态
记忆细胞:⼀种特殊的隐藏状态的信息的流动

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It=σ(XtWxi+Ht−1Whi+bi)Ft=σ(XtWxf+Ht−1Whf+bf)Ot=σ(XtWxo+Ht−1Who+bo)C~t=tanh(XtWxc+Ht−1Whc+bc)Ct=Ft⊙Ct−1+It⊙C~tHt=Ot⊙tanh(Ct) I_t = σ(X_tW_{xi} + H_{t−1}W_{hi} + b_i) \\ F_t = σ(X_tW_{xf} + H_{t−1}W_{hf} + b_f)\\ O_t = σ(X_tW_{xo} + H_{t−1}W_{ho} + b_o)\\ \widetilde{C}_t = tanh(X_tW_{xc} + H_{t−1}W_{hc} + b_c)\\ C_t = F_t ⊙C_{t−1} + I_t ⊙\widetilde{C}_t\\ H_t = O_t⊙tanh(C_t) It=σ(XtWxi+Ht1Whi+bi)Ft=σ(XtWxf+Ht1Whf+bf)Ot=σ(XtWxo+Ht1Who+bo)Ct=tanh(XtWxc+Ht1Whc+bc)Ct=FtCt1+ItCtHt=Ottanh(Ct)

def lstm(inputs, state, params):
    [W_xi, W_hi, b_i, W_xf, W_hf, b_f, W_xo, W_ho, b_o, W_xc, W_hc, b_c, W_hq, b_q] = params
    (H, C) = state
    outputs = []
    for X in inputs:
        I = torch.sigmoid(torch.matmul(X, W_xi) + torch.matmul(H, W_hi) + b_i)
        F = torch.sigmoid(torch.matmul(X, W_xf) + torch.matmul(H, W_hf) + b_f)
        O = torch.sigmoid(torch.matmul(X, W_xo) + torch.matmul(H, W_ho) + b_o)
        C_tilda = torch.tanh(torch.matmul(X, W_xc) + torch.matmul(H, W_hc) + b_c)
        C = F * C + I * C_tilda
        H = O * C.tanh()
        Y = torch.matmul(H, W_hq) + b_q
        outputs.append(Y)
    return outputs, (H, C)
3、深度循环神经网络

Image Name
Ht(1)=ϕ(XtWxh(1)+Ht−1(1)Whh(1)+bh(1))Ht(ℓ)=ϕ(Ht(ℓ−1)Wxh(ℓ)+Ht−1(ℓ)Whh(ℓ)+bh(ℓ))Ot=Ht(L)Whq+bq \boldsymbol{H}_t^{(1)} = \phi(\boldsymbol{X}_t \boldsymbol{W}_{xh}^{(1)} + \boldsymbol{H}_{t-1}^{(1)} \boldsymbol{W}_{hh}^{(1)} + \boldsymbol{b}_h^{(1)})\\ \boldsymbol{H}_t^{(\ell)} = \phi(\boldsymbol{H}_t^{(\ell-1)} \boldsymbol{W}_{xh}^{(\ell)} + \boldsymbol{H}_{t-1}^{(\ell)} \boldsymbol{W}_{hh}^{(\ell)} + \boldsymbol{b}_h^{(\ell)})\\ \boldsymbol{O}_t = \boldsymbol{H}_t^{(L)} \boldsymbol{W}_{hq} + \boldsymbol{b}_q Ht(1)=ϕ(XtWxh(1)+Ht1(1)Whh(1)+bh(1))Ht()=ϕ(Ht(1)Wxh()+Ht1()Whh()+bh())Ot=Ht(L)Whq+bq

  • 可抽取更高、更深层的语义信息
  • 但是层数越深,效果不一定越好,因为模型的复杂度会提升
num_hiddens=256
num_epochs, num_steps, batch_size, lr, clipping_theta = 160, 35, 32, 1e2, 1e-2
pred_period, pred_len, prefixes = 40, 50, ['分开', '不分开']

lr = 1e-2 # 注意调整学习率

gru_layer = nn.LSTM(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens,num_layers=2)    #参数num_layers=2,深度为2.默认为false,则是单层的lstm
model = d2l.RNNModel(gru_layer, vocab_size).to(device)
d2l.train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                                corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                                num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                                batch_size, pred_period, pred_len, prefixes)
def train_and_predict_rnn_pytorch(model, num_hiddens, vocab_size, device,
                                corpus_indices, idx_to_char, char_to_idx,
                                num_epochs, num_steps, lr, clipping_theta,
                                batch_size, pred_period, pred_len, prefixes):
    loss = nn.CrossEntropyLoss()
    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)
    model.to(device)
    for epoch in range(num_epochs):
        l_sum, n, start = 0.0, 0, time.time()
        data_iter = d2l.data_iter_consecutive(corpus_indices, batch_size, num_steps, device) # 相邻采样
        state = None
        for X, Y in data_iter:
            if state is not None:
                # 使用detach函数从计算图分离隐藏状态
                if isinstance (state, tuple): # LSTM, state:(h, c)  
                    state[0].detach_()
                    state[1].detach_()
                else: 
                    state.detach_()
            (output, state) = model(X, state) # output.shape: (num_steps * batch_size, vocab_size)
            y = torch.flatten(Y.T)
            l = loss(output, y.long())
            
            optimizer.zero_grad()
            l.backward()
            grad_clipping(model.parameters(), clipping_theta, device)
            optimizer.step()
            l_sum += l.item() * y.shape[0]
            n += y.shape[0]
        

        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_pytorch(
                    prefix, pred_len, model, vocab_size, device, idx_to_char,
                    char_to_idx))
class RNNModel(nn.Module):
    def __init__(self, rnn_layer, vocab_size):
        super(RNNModel, self).__init__()
        self.rnn = rnn_layer
        self.hidden_size = rnn_layer.hidden_size * (2 if rnn_layer.bidirectional else 1) 
        self.vocab_size = vocab_size
        self.dense = nn.Linear(self.hidden_size, vocab_size)

    def forward(self, inputs, state):
        # inputs.shape: (batch_size, num_steps)
        X = to_onehot(inputs, vocab_size)
        X = torch.stack(X)  # X.shape: (num_steps, batch_size, vocab_size)
        hiddens, state = self.rnn(X, state)
        hiddens = hiddens.view(-1, hiddens.shape[-1])  # hiddens.shape: (num_steps * batch_size, hidden_size)
        output = self.dense(hiddens)
        return output, state
4.双向循环神经网络

在这里插入图片描述

  • 可以获取词上下文的信息
  • 前向的H_t 和后向的H_t 用concat进行连结
gru_layer = nn.GRU(input_size=vocab_size, hidden_size=num_hiddens,bidirectional=True)
内容概要:本文介绍了一个基于冠豪猪优化算法(CPO)的无人机三维路径规划项目,利用Python实现了在复杂三维环境中为无人机规划安全、高效、低能耗飞行路径的完整解决方案。项目涵盖空间环境建模、无人机动力学约束、路径编码、多目标代价函数设计以及CPO算法的核心实现。通过体素网格建模、动态障碍物处理、路径平滑技术和多约束融合机制,系统能够在高维、密集障碍环境下快速搜索出满足飞行可行性、安全性与能效最优的路径,并支持在线重规划以适应动态环境变化。文中还提供了关键模块的代码示例,包括环境建模、路径评估和CPO优化流程。; 适合人群:具备一定Python编程基础和优化算法基础知识,从事无人机、智能机器人、路径规划或智能优化算法研究的相关科研人员与工程技术人员,尤其适合研究生及有一定工作经验的研发工程师。; 使用场景及目标:①应用于复杂三维环境下的无人机自主导航与避障;②研究智能优化算法(如CPO)在路径规划中的实际部署与性能优化;③实现多目标(路径最短、能耗最低、安全性最高)耦合条件下的工程化路径求解;④构建可扩展的智能无人系统决策框架。; 阅读建议:建议结合文中模型架构与代码示例进行实践运行,重点关注目标函数设计、CPO算法改进策略与约束处理机制,宜在仿真环境中测试不同场景以深入理解算法行为与系统鲁棒性。
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