整个个专栏记录一下深度学习的相关文章
(一)认识深度学习

(二)机器学习应用策略
(三)卷积神经网络
(四)序列模型
(五)pytorch从零实现手写数字识别
(六)认识NLP，RNN实现文本情感分析
(六)经典试题整合

循环神经网络

tokenization：分词 token：具体的词

常见工具

  • jieba
  • THULAC(不推荐)

分词方法：

  • 句子转为词语
  • 句子转换为单个字

N-gram

准备词语特征的方法，N代表能够一起使用的词的数量

分词长度：len(cuted) -1 、获取分词（以2为例）cuted[i:i+2]

举例程序：

text = input()
cuted = jieba.lcut(text)
cutlist = [cuted[i:i+2] for i in range(len(cuted)-1)]

比传统优秀的原因：词语有了一定的顺序

向量化

文本转化为项链

  • one-hot编码：使用稀疏向量将词语独一编号，缺点是浪费空间
  • word embedding

word-embedding（词嵌入）

应用了浮点型稠密矩阵，根据词典决定向量的维度，如100、256、300等。向量的每一个值都是一个超参数，初始值是随机生成，之后会在训练的过程中进行学习。（这里的数值化一般是根据具体的词语的相关性确定，吴恩达的课没有说明具体获取的方法，这里表明了所有的值都是训练获得，并不是人工标记哈）

将长度优化 NxN(ont-hot) -> Nxn(n为选择的向量维度)

需要先把词语数值化：维度变化：[batch_sizer(有多少个句子),N(句子中词语的长度)] -> [batch_size,N,300(300代表的是超参数)]

具体形状变化：经历embedding

[batch_size,10] -[20,4]--> [batch_size,10,4]

调用torch中的API：

embedding = nn.Embedding(vocab_size,300) # 词典的大小，自定义单词超参数长度
input_embeded = embedding(input) # embedding操作（初始化）

情感分析

  1. 数据集
  2. 模型
  3. 训练
  4. 评估

1.数据集

需要解决问题：

  • 句子长度不一致
  • 文本如何转换为数字序列

2.准备数据

观察数据内容，决定切分单词方法，去除符号的方法（参考）

def tockenize(text):
  filters = ['!','"','#','$','%','&','\(','\)','\*','\+',',','-','\.','/',':',
            ';','<','=','>','\?','@','\[','\]','\\','^','_','`','{','}','\|',
            '~','\t','\n','\x97','\x96','”','“',]
  text = re.sub("<.*?>"," ",text,flags=re.S)
  text = re.sub("|".join(filters)," ",text,flag=re.S)
  return [i.strip() for i in text.split()]

3.文本序列化

将每个词语和对应的数字用字典保存，把句子通过字典映射为包含数字的列表

  • 如何使用字典把词语和数字进行对应：遍历
  • 考虑是否过滤高频词和低频词
  • 如何把数字序列转换为句子，句子转换为数字序列
  • 句子长度不同，batch的句子长度也不一样：所以将长句进行裁剪，短句进行填充
  • 词典中没有的词语怎么办：使用<unk>填充

初始化类：

class Word2Seq:
    UNK_TAG = "UNK"
    PAD_TAG = "PAD"

    UNK = 0
    PAD = 1

    def __init__(self):
      # 词典构建
      # 特殊符合和填充符号
      self.dict = {
        self.UNK_TAG:self.UNK,
        self.PAD_TAG:self.PAD
      }

      self.count = {}

具体过程：

  1. 对所有句子分词（在加载数据集的同时操作，这里就不演示了）
  2. 词语存入字典
def fit(self,sentence):
    """单个句子保存到字典
          :param sentence : [word1,word2,...]
          """
    for word in sentence:
      self.count[word] = self.count.get(word, 0) + 1 # 在+1，不在为1
  1. 根据次数对词语进行过滤并统计次数，构建字典并实现文本转换为数字序列的方法
# 2 词语存入字典，根据次数对词语进行过滤
def build_vocab(self,min=5,max=None,max_features=None):
  """生成词典
        :param min:最小词频
        :param max_features：一共保存多少词语
        """
  # 删除小词频
	if min is not None:
    self.count = {word:value for word,value in self.count.items() if value>min}
  if max is not None:
    self.count = {word:value for word,value in self.count.items() if value<min}
		# 限制保留的词语数
    if max_features is not None:
      # 先对字典内容排序以后选择前
      temp = sorted(self.count.items(),key=lambda x:x[-1],reverse=True)[:max_features]
    # 转换为字典
    self.count = dict(temp)
    for word in self.count:
      # 将字典当前的长度作为单词的代表，是不会重复的
      self.dict[word] = len(self.dict) 

      #得到一个反转的字典
      self.inverse_dict = dict(zip(self.dict.values(),self.dict.keys()))
  1. 实现数字序列转文本的方法
#序列转文本
def inverse_transform(self,indices):
    """
          将数字序列转换为句子
          :param indices:
          :return:
          """
    return [self.inverse_dict.get(idx) for idx in indices]

4.构建模型

使用词嵌入模型，直接通过全连接层，使用带权损失

  1. 准备数据
  2. 构建模型
  3. 模型训练
  4. 模型评估

常见模型

RNN:

总之一句话：循环神经网络的最大的特点就是，神经元的输出可以在下一个时间步直接作用到自身（作为输入），这就使得这种模型具有短期记忆的能力。

LSTM:

解决长期依赖

  • 记忆细胞：通过sigmoid函数和t-1，点乘实现记忆

  • 遗忘门：通过sigmoid函数决定哪些信息需要被遗忘

  • 输入门：决定哪些信息会被更新

    • tanh：决定输入什么信息
    • sigmoid：决定输入多少比例信息

  • 输出门：输出当前时刻的结果和隐藏的状态

  • 输入和输出

    • 输入：隐藏状态,X-t,C_t-1
    • 输出：H_t,H_t,C_t

双向：组合，既有正向的记忆也有反向的记忆

在这里插入图片描述

GRU:

将遗忘门和输入门组合为更新门（只有两个门）

输入：上一个隐藏状态

输出：当前隐藏状态，更新

API应用

LSTM

torch.nn.LSTM

默认输入：实例化后需要输入数据、前一次隐层状态和前一次记忆细胞，lstm(input,(h0,c0))

  • input_size输入的最后的一维的长度
  • hidden_size设置隐藏层单元数目，即每一层有多少个单元
  • num_layer设置多少层，为1时不会dropout
  • batch_first参数的输入顺序，默认为False即原输入顺序[seq_len,batch_size,feature]，如果为True即[batch_size,seq_len,feature]
  • dropout，0-1层随机失活的比例，在最后一层的每个输出
  • bidirectional选择双向

默认输出：output,(h_n,c_n)

具体API

batch_size = 10
seq_len = 20 # 句子长度
vocab_size = 100 # 词典的长度
embedding_dim = 30 # 长30的向量表示一个词语
hidden_size = 18 # 隐藏层单元数
num_layer = 2 # 隐藏层数

# 模拟输入
inputs = torch.randint(low=0,high=100,size=[batch_size,seq_len]) # [10,20]
# embedding处理
embedding = nn.Embedding(vocab_size,embedding_dim)
input_embedded = embedding(inputs) # [10,20,30]

# embedding之后的数据传入lstm
lstm = nn.LSTM(input_size=embedding_dim,hidden_size=hidden_size,num_layers=num_layer,batch_first=True,bidirectional=False)
output,(h_n,c_n) = lstm(input_embedded)
print(output.size()) #[10,20,18*1 if bidirectional else 18*2]
print(h_n.size()) # [layer*2 if bidirectional else layer*1,10,18]
print(c_n.size()) # [layer*2 if bidirectional else layer*1,10,18]

可以验证最后一次隐藏层状态和最后一个时间步上的输出相等

# 最后一个时间步上的输出
last_output = output[:,-1,:]
# 获取最后一次的隐藏层
last_hidden_state= h_n[-1,:,:]
print(last_output == last_hidden_state)

损失函数

多分类，使用softmax进行输出，使用的时需要去计算样本属于每个类别的概率。

带权损失，权重乘以值之和的负
l o s s = − ∑ Y t r u e ∗ l o g ( P ) , P 是 s o f t m a x 的 输 出 l o s s = − ∑ w i x i loss = -\sum Y_{true} * log(P),P是softmax的输出\\ loss = -\sum w_i x_i loss=−∑Ytrue​∗log(P),P是softmax的输出loss=−∑wi​xi​
关于双向的

output的拼接顺序：

  • 正向第一个 <–> 方向最后一个
  • 最后一个维度拼接
# 双向的LSTML中的最后一个时间步的output
# 正向
last_output = output[:,-1,:18]
# 反向
last_output = output[:,0,18:]

# 获取双向LSTM中最后一个隐藏层
# 正向
last_hidden_state = h_n[-2,:,:]
# 反向
last_hidden_state = h_n[-1,:,:]
  • 多层：
    • 第一层正向–第一层反向
    • 第二层正向–第二层反向
    • …

GRU

  • GRU(参数如同LSTML)

  • 输入： o u t p u t , h n = g r u ( i n p u t , h 0 ) output,h_n = gru(input,h_0) output,hn​=gru(input,h0​)

  • 形状同LSTM

遇到了import中的问题，发现在函数定义的默认值，是不能设置为引入变量的

实现的源码已上传，暂未整理到github

梯度消失和爆炸

当使用权重初始值过小或者使用易饱和神经元(sigmoid,tanh)，比如sigmoid在y=0,1处梯度接近0，而无法更新参数，这时候神经网络在反向传播时也会呈指数倍缩小，产生消失

当初始权重过大时，神经网络在反向传播的时候也会出现呈指数倍放大，产生爆炸

sigmoid的导函数如图所示
在这里插入图片描述

解决方案：

  • 使用ReLU或者leaky ReLU，并不会出现导数的变化。
  • Adam优化器
  • 使用 batch normalization

Batch Normalization

正则化，每个batch训练过程中，对参数进行归一化处理，从而加快训练速度

以sigmoid为例，就会尽可能地将参数拉到[0,1]地范围，让参数地更新幅度更大

一般放在激活函数之后

Dropout

对参数地随机失活

  • 解决过拟合
  • 增加稳健性

序列化容器

input会被容器中的构造器类依次执行：

layer = nn.Sequential (
  nn.Linear(input_dim,n_hidden_1), # 形状变为[batch_size,n_hidden_1]
  nn.ReLU(True),
  nn.BatchNorm1d(n_hidden_1)
  nn.Dropout(0.3) # 默认值为0.5
  
  nn.Linear(n_hidden_1,n_hidden_2),  #			[batch_size,n_hidden_2]
  nn.ReLU(True),
  nn.BatchNorm1d(n_hidden_2)
  nn.DropOut(0.3)
  
  nn.Linear(n_hidden_2,output_dim) # 最后一层不需要激活函数[batch_size,output_dim]
)
# 神经网络 # 深度学习 # pytorch
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