双向循环神经网络 Bi-RNN

2024-04-09 16:15:53 阅读数 9530

(一)双向循环神经网络

我们首先回顾一下前面学习的序列模型中的求某个时刻，该事件发生的概率的推导公式：

在时间t观察得到了一个数据 $x_t$ ,那么得到T个不独立的随机变量 $(x_1, x_2, ..., x_T)$ ~ $p(x)$ 。使用条件概率展开(乘法法则)：
$p(a,b)=p(a)p(b|a)=p(b)p(a|b)$

我们可以看这个公式在直观上的表达，也就是后续的概率是基于前面的概率的。当然也可以反过来。

我们知道计算这个概率的时候，可以选择从前往后看，也可以选择从后往前看。这就构成了双向循环神经网络的核心思想。

举个例子：
对于某个词的预测，可能后面的内容也很重要。

填空的词取决于过去和未来的上下文
目前的RNN都是只看过去
在填空的时候我们可以看未来

（1）网络结构

这个图看起来挺复杂的，我们只看前两个。
正常情况下，x通过隐藏层H然后输出为O，然后隐状态向下传递。就是如图所示的 $x_1$ -> $H_1$ -> $O_1$ 。
接下来我们看 $x_2$ ，除了正常情况，他还有一个箭头直接传向了逆 $H_2$ ，然后将隐状态传向上一层的逆 $H_1$ 然后与正向的 $H_1$ 共同作用输出 $O_1$ 。
所以说一共有两条链，第一条是正向的，第二条是逆向的，他们共同作用输出结果，这就是双向RNN的网络结构了。

（2）训练和预测

训练是好训练的，但是那么我怎么用来预测呢？所以双向神经网络是不能用在预测下一个词的情况的。

这里没有实现从零开始写，但是说一下简单的操作流程：

把输入复制一遍
在前向传到的时候，正常输出第一个隐藏层的结果
第二个隐藏层把输入反向，并输出反向
然后把两个隐藏层的输出一一对应的连接

双向神经网络的主要作用是对一个句子做特征提取。例如，提取摘要、填空等。

（二）代码实现

（1）简洁实现

这个应用场景是错误的，因为双向神经网络无法用于预测未来，也就是说下面的网络是没有意义的。只是用来说明怎么使用。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

# 加载数据
batch_size, num_steps, device = 32, 35, d2l.try_gpu()
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
# 通过设置“bidirective=True”来定义双向LSTM模型
vocab_size, num_hiddens, num_layers = len(vocab), 256, 2
num_inputs = vocab_size
lstm_layer = nn.LSTM(num_inputs, num_hiddens, num_layers, bidirectional=True)
model = d2l.RNNModel(lstm_layer, len(vocab))
model = model.to(device)
# 训练模型
num_epochs, lr = 500, 1
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)