RNN 循环神经网络 回归

RNN网络较少运用于回归任务,但是并不代表其不可运用于回归任务。本文通过简单回归任务的RNN进一步加深对RNN的理解

1. 准备数据和超参数

import torch
from torch import nn
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# torch.manual_seed(1)    # reproducible

# Hyper Parameters
TIME_STEP = 10      # rnn time step
INPUT_SIZE = 1      # rnn input size
LR = 0.02           # learning rate

# show data
steps = np.linspace(0, np.pi*2, 100, dtype=np.float32)  # float32 for converting torch FloatTensor
x_np = np.sin(steps)
y_np = np.cos(steps)
plt.plot(steps, y_np, 'r-', label='target (cos)')
plt.plot(steps, x_np, 'b-', label='input (sin)')
plt.legend(loc='best')
plt.show()

2. 构建RNN神经网络

class RNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(RNN, self).__init__()

        self.rnn = nn.RNN(
            input_size=INPUT_SIZE,
            hidden_size=32,     # rnn hidden unit
            num_layers=1,       # number of rnn layer
            batch_first=True,   
# input & output will has batch size as 1s dimension. e.g. (batch, time_step, input_size)
        )
        self.out = nn.Linear(32, 1)

    def forward(self, x, h_state):
        # x (batch, time_step, input_size)
        # h_state (n_layers, batch, hidden_size)
        # r_out (batch, time_step, hidden_size)
        r_out, h_state = self.rnn(x, h_state)

        outs = []    # save all predictions
        for time_step in range(r_out.size(1)):    # calculate output for each time step
            outs.append(self.out(r_out[:, time_step, :]))
        return torch.stack(outs, dim=1), h_state

        # instead, for simplicity, you can replace above codes by follows
        # r_out = r_out.view(-1, 32)
        # outs = self.out(r_out)
        # outs = outs.view(-1, TIME_STEP, 1)
        # return outs, h_state
        
        # or even simpler, since nn.Linear can accept inputs of any dimension 
        # and returns outputs with same dimension except for the last
        # outs = self.out(r_out)
        # return outs

rnn = RNN()
print(rnn)

3. 选择优化器和损失函数

optimizer = torch.optim.Adam(rnn.parameters(), lr=LR)   # optimize all cnn parameters
loss_func = nn.MSELoss()

注:

  1. adam():我们常使用该函数,因为其在各种情况下均有较好的表现
  2. MSELoss():均方误差损失函数,常用于预测模型中

4. 初始化数据和plt图像

h_state = None      # for initial hidden state

plt.figure(1, figsize=(12, 5))
plt.ion()           # continuously plot

5. 训练和优化

for step in range(100):
    start, end = step * np.pi, (step+1)*np.pi   # time range
    # use sin predicts cos
    steps = np.linspace(start, end, TIME_STEP, dtype=np.float32, endpoint=False)  
# float32 for converting torch FloatTensor
    x_np = np.sin(steps)
    y_np = np.cos(steps)

    x = torch.from_numpy(x_np[np.newaxis, :, np.newaxis])    
# shape (batch, time_step, input_size)
    y = torch.from_numpy(y_np[np.newaxis, :, np.newaxis])

    prediction, h_state = rnn(x, h_state)   # rnn output
    # !! next step is important !!
    h_state = h_state.data        
# repack the hidden state, break the connection from last iteration

    loss = loss_func(prediction, y)         # calculate loss
    optimizer.zero_grad()                   # clear gradients for this training step
    loss.backward()                         # backpropagation, compute gradients
    optimizer.step()                        # apply gradients

    # plotting
    plt.plot(steps, y_np.flatten(), 'r-')
    plt.plot(steps, prediction.data.numpy().flatten(), 'b-')
    plt.draw(); plt.pause(0.05)

plt.ioff()
plt.show()
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