深入學習PyTorch中LSTM的輸入和輸出

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LSTM參數

官方文檔給出的解釋為：

總共有七個參數，其中隻有前三個是必須的。由於大傢普遍使用PyTorch的DataLoader來形成批量數據，因此batch_first也比較重要。LSTM的兩個常見的應用場景為文本處理和時序預測，因此下面對每個參數我都會從這兩個方面來進行具體解釋。

  • input_size：在文本處理中，由於一個單詞沒法參與運算，因此我們得通過Word2Vec來對單詞進行嵌入表示，將每一個單詞表示成一個向量，此時input_size=embedding_size。比如每個句子中有五個單詞，每個單詞用一個100維向量來表示，那麼這裡input_size=100；在時間序列預測中，比如需要預測負荷，每一個負荷都是一個單獨的值，都可以直接參與運算，因此並不需要將每一個負荷表示成一個向量，此時input_size=1。 但如果我們使用多變量進行預測，比如我們利用前24小時每一時刻的[負荷、風速、溫度、壓強、濕度、天氣、節假日信息]來預測下一時刻的負荷，那麼此時input_size=7。
  • hidden_size：隱藏層節點個數。可以隨意設置。
  • num_layers：層數。nn.LSTMCell與nn.LSTM相比，num_layers默認為1。
  • batch_first：默認為False，意義見後文。

Inputs

關於LSTM的輸入，官方文檔給出的定義為：

可以看到，輸入由兩部分組成：input、(初始的隱狀態h_0，初始的單元狀態c_0)

其中input：

input(seq_len, batch_size, input_size)
  • seq_len：在文本處理中，如果一個句子有7個單詞，則seq_len=7；在時間序列預測中，假設我們用前24個小時的負荷來預測下一時刻負荷，則seq_len=24。
  • batch_size：一次性輸入LSTM中的樣本個數。在文本處理中，可以一次性輸入很多個句子；在時間序列預測中，也可以一次性輸入很多條數據。
  • input_size

(h_0, c_0)：

h_0(num_directions * num_layers, batch_size, hidden_size)
c_0(num_directions * num_layers, batch_size, hidden_size)

h_0和c_0的shape一致。

  • num_directions：如果是雙向LSTM，則num_directions=2；否則num_directions=1。num_layers：
  • batch_size：
  • hidden_size：

 Outputs

關於LSTM的輸出，官方文檔給出的定義為：

可以看到，輸出也由兩部分組成：otput、(隱狀態h_n，單元狀態c_n)

其中output的shape為：

output(seq_len, batch_size, num_directions * hidden_size)

h_n和c_n的shape保持不變，參數解釋見前文。

batch_first

如果在初始化LSTM時令batch_first=True，那麼input和output的shape將由：

input(seq_len, batch_size, input_size)
output(seq_len, batch_size, num_directions * hidden_size)

變為：

input(batch_size, seq_len, input_size)
output(batch_size, seq_len, num_directions * hidden_size)

即batch_size提前。

案例

簡單搭建一個LSTM如下所示：

class LSTM(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, num_layers, output_size, batch_size):
        super().__init__()
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.num_layers = num_layers
        self.output_size = output_size
        self.num_directions = 1 # 單向LSTM
        self.batch_size = batch_size
        self.lstm = nn.LSTM(self.input_size, self.hidden_size, self.num_layers, batch_first=True)
        self.linear = nn.Linear(self.hidden_size, self.output_size)

    def forward(self, input_seq):
        batch_size, seq_len = input_seq[0], input_seq[1]
        h_0 = torch.randn(self.num_directions * self.num_layers, self.batch_size, self.hidden_size).to(device)
        c_0 = torch.randn(self.num_directions * self.num_layers, self.batch_size, self.hidden_size).to(device)
        # output(batch_size, seq_len, num_directions * hidden_size)
        output, _ = self.lstm(input_seq, (h_0, c_0)) # output(5, 30, 64)
        pred = self.linear(output)  # (5, 30, 1)
        pred = pred[:, -1, :]  # (5, 1)
        return pred

其中定義模型的代碼為：

self.lstm = nn.LSTM(self.input_size, self.hidden_size, self.num_layers, batch_first=True)
self.linear = nn.Linear(self.hidden_size, self.output_size)

我們加上具體的數字：

self.lstm = nn.LSTM(self.input_size=1, self.hidden_size=64, self.num_layers=5, batch_first=True)
self.linear = nn.Linear(self.hidden_size=64, self.output_size=1)

再看前向傳播：

def forward(self, input_seq):
    batch_size, seq_len = input_seq[0], input_seq[1]
    h_0 = torch.randn(self.num_directions * self.num_layers, batch_size, self.hidden_size).to(device)
    c_0 = torch.randn(self.num_directions * self.num_layers, batch_size, self.hidden_size).to(device)
    # input(batch_size, seq_len, input_size)
    # output(batch_size, seq_len, num_directions * hidden_size)
    output, _ = self.lstm(input_seq, (h_0, c_0))  # output(5, 30, 64)
    pred = self.linear(output) # (5, 30, 1)
    pred = pred[:, -1, :]  # (5, 1)
    return pred

假設用前30個預測下一個，則seq_len=30，batch_size=5，由於設置瞭batch_first=True，因此，輸入到LSTM中的input的shape應該為：

input(batch_size, seq_len, input_size) = input(5, 30, 1)

經過DataLoader處理後的input_seq為：

input_seq(batch_size, seq_len, input_size) = input_seq(5, 30, 1)

然後將input_seq送入LSTM：

output, _ = self.lstm(input_seq, (h_0, c_0))  # output(5, 30, 64)

根據前文，output的shape為：

output(batch_size, seq_len, num_directions * hidden_size) = output(5, 30, 64)

全連接層的定義為：

self.linear = nn.Linear(self.hidden_size=64, self.output_size=1)

然後將output送入全連接層：

pred = self.linear(output)  # pred(5, 30, 1)

得到的預測值shape為(5, 30, 1)，由於輸出是輸入右移，我們隻需要取pred第二維度(time)中的最後一個數據：

pred = pred[:, -1, :]  # (5, 1)

這樣，我們就得到瞭預測值，然後與label求loss，然後再反向更新參數即可。

到此這篇關於深入學習PyTorch中LSTM的輸入和輸出的文章就介紹到這瞭,更多相關PyTorch LSTM內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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