Pytorch系列:（六）自然语言处理NLP

这篇文章主要介绍Pytorch中常用的几个循环神经网络模型，包括RNN，LSTM，GRU，以及其他相关知识点。

nn.Embedding

在使用各种NLP模型之前，需要将单词进行向量化，其中，pytorch自带一个Embedding层，用来实现单词的编码。Embedding层 随机初始化了一个查询表，他可以将一个词转换成一个词向量。需要注意的是，Embedding层输入的是一个tensor long 类型，表示读取第多少个tensor，等于token的数量。

import torch.nn as nn
embeds = nn.Embedding(2,5) 

word_to_ix = {"one":0,"hot":1}
token_id = torch.tensor([word_to_ix["one"]],dtype=torch.long)

one_embed = embeds(token_id)

RNN

计算公式如下：

\[h_t = thah(W_{hh}h_{t-1} + W_{xh}x_t +b_{hh}) \\ y_t = W_{hy}h_t
\]

Pytorch中的RNN

nn.RNN(
  input_size,
  hidden_size,
  num_layers,
  nonlinearity,
  bias,
  batch_first,
  dropout,
  bidirectional
)

input_size: 输入维度

hidden_size：隐层维度，在RNN中也是输出的维度

num_layers ：RNN的层数，默认为1

nonlinearity ：非线性函数，默认为'tanh' ， 也可以设置为'relu'

bias : 偏置参数，默认为True

batch_first : 输入向量第一维度是batch 还是 seq（序列长度）, 默认为False

dropout ：默认为0，设置是否在RNN层的末尾增加dropout操作

bidirectional : 是否为双向RNN，默认为False

RNN 中的输入与输出

out 等于所有step 中h 的输出的拼接

x : ( batch, seq , input_size) 当btach_first = True

h0 / ht : （num_layers, batch, hidden_size）

out : (batch, seq, hidden_size)

out , ht = RNN(x, h0) 

举个例子，假设我们输入为 (3,10,100)，表示3个batch，长度为10，每个单词表征为100维度。设置hidden_size 为20，这个时候，h的尺寸为[1,3,20]表示1层rnn，3个batch，20是隐层，然后out是[3,10,20].

rnn = nn.RNN(input_size =100,hidden_size = 20,batch_first=True)
x = torch.randn(3,10,100) 

out, h = rnn(x,torch.zeros(1,3,20))
print(out.shape)
print(h.shape)

# [3,10,20]
# [1,3,20 ]

也可以直接查看RNN中的参数的尺寸

rnn = nn.RNN(100,20)
# rnn的参数名为：
# odict_keys(['weight_ih_l0','weight_hh_l0','bias_ih_l0','bias_hh_l0'])
print(rnn.weight_hh_l0.shape)
# [20,20]

多层RNN要注意的是要这是layer的双向设置，如何layer设置是双向的，那么 计算方式如下：

x : ( batch, seq , input_size) 当btach_first = True

h0 / ht : （num_layers2, batch, hidden_size） #只有这里有区别，num_layers2

out : (batch, seq, hidden_size)

RNNCell

RNNCell 计算公式和RNN一样，不过RNNCell每次运行只执行一步，因此，RNNCell的尺寸计算方式也会有所区别

RNNCell(
  input_size,
  hidden_size,
  bias=True,
  nonlinearity='tanh',
  device=None,
  dtype=None
)

输入输出尺寸：

xt : [batch, wordvec]

ht_1 / ht : [batch, hidden_size]

举个例子：

cell1 = nn.RNNCell(100,20)
xt = torch.randn(3,100)

h1 = cell1(xt, torch.randn(3,20))
print(h1.shape)
# [3,20]

LSTM

LSTM 的计算公式和结构图如下所示：包含四个门，输入门 i 控制多少信息可以输入，遗忘门f作用在先前的记忆c^{t-1} 上，作用是过滤一部分之前的记忆，输出门作用在新的记忆c^{t} 上，得到最终的输出h

Pytorch 中的LSTM

在Pytorch中LSTM的使用跟RNN一样，区别是LSTM中的output有两个，一个是c一个是h，这里的c和h的尺寸大小是一样的。

nn.LSTM(
  input_size,
  hidden_size,
  num_layers,
  bias,
  batch_first,
  dropout,
  bidirectional
)

input_size: 输入维度

hidden_size：隐层维度，在RNN中也是输出的维度

num_layers ：RNN的层数，默认为1

nonlinearity ：非线性函数，默认为'tanh' ， 也可以设置为'relu'

bias : 偏置参数，默认为True

batch_first : 输入向量第一维度是batch 还是 seq（序列长度）, 默认为False

dropout ：默认为0，设置是否在RNN层的末尾增加dropout操作

bidirectional : 是否为双向RNN，默认为False

用法示例：

>>> rnn = nn.LSTM(10, 20, 2)
>>> input = torch.randn(5, 3, 10)
>>> h0 = torch.randn(2, 3, 20)
>>> c0 = torch.randn(2, 3, 20)
>>> output, (hn, cn) = rnn(input, (h0, c0))

LSTM 中的输入与输出

与RNN不一样的是，LSTM 中多了一个记忆参数c， 所以输入输出都多了c, 这里的c 和 h 的尺寸一模一样。

output, (hn, cn) = rnn(input, (h0, c0))

x : ( batch, seq , input_size) 当btach_first = True

h / c : （num_layers, batch, hidden_size）

output : (batch, seq, hidden_size) # h的拼接

一个例子：

lstm = nn.LSTM(input_size = 100,hidden_size=20,num_layer=4,batch_first=True)
x = torch.randn(3,10,100)
out, (h,c) = lstm(x)
print(out.shape,h.shape,c.shape)

# [3,10,20] [4,3,20]  [4,3,20]

LSTMCell

同样的LSTM也有Cell版本，和上述RNNCell原理一样，都是只执行一个时间步

nn.LSTMCell(
  input_size,
  hidden_size,
  bias=True,
  device=None,
  dtype=None
)

尺寸计算：

xt : [batch, wordvec]

h / c : [batch, hidden_size]

举个例子：

cell = nn.LSTMCell(100,20)
xt = torch.randn(3,100)
h = torch.zeros(3,20)
c = torch.zeros(3,20) 

h_out, c_out = cell(xt, [h,c])
print(h_out.shape)
# [3,20]

通过LSTMCell 构建多层LSTM

cell1 = nn.LSTMCell(100,30)
cell2 = nn.LSTMCell(30,20) 

h1 = torch.zeros(3,30)
c1 = torch.zeros(3,30)
h2 = torch.zeros(3,30)
c2 = torch.zeros(3,30)  

for xt in x:
    h1,c1 = cell1(xt,[h1,c1])
    h2,c2 = cell2(h1,[h2,c2])
print(h2.shape,c2.shape)
# [3,20]  [3,20]

GRU

GRU的工作原理如下图所示，其中，重置门rt 用于过滤一部分过去的信息，更新门zt 用来控制多少保留多少旧信息和输出多少新信息

Pytorch 中的GRU

这里GRU的参数跟RNN的参数基本一样，区别是GRU中不能设置激活函数。

nn.GRU(
  input_size,
  hidden_size,
  num_layers,
  bias,
  batch_first,
  dropout,
  bidirectional
)

input_size: 输入维度

hidden_size：隐层维度，在RNN中也是输出的维度

num_layers ：RNN的层数，默认为1

bias : 偏置参数，默认为True

batch_first : 输入向量第一维度是batch 还是 seq（序列长度）, 默认为False

dropout ：默认为0，设置是否在RNN层的末尾增加dropout操作

bidirectional : 是否为双向RNN，默认为False

序列模型采样方法

针对一段长文本，如果要使用循环神经网络去训练，必须要做采样，因为循环神经网络无法做长序列学习，这里常用的采样方式有两种。

1. 随机采样

随机的选取一段样本用来训练，这个时候，每一个batch中的尾巴和下一个batch 的头部是没有任何关联的，所以需要训练的时候，每一个batch后，需要重新初始化一下隐层，此外还需要对隐层进行detach，中断计算图。

1. 相邻采样

令相邻的两个随机小批量在原始序列上的位置相毗邻, 这样由于相邻的batch是连接起来的，所以这个时候，只需要在第一个batch前初始化一个隐藏状态，无需在每个batch结束后初始化。另外，由于模型串联使得梯度计算开销增大，所以在这里依然还是要在每个batch 结束后进行detach操作，中断计算图。

完整示例

一个lstm网络示例，注意这里使用Glove来初始化Embedding权重，然后取LSTM最后一层的输出，喂入到线性层中。

class BLSTM(nn.Module):
    def __init__(self,USE_GLOVE,pretrained_emb,token_size,batch_size,device):
        super(BLSTM, self).__init__()

        self.embedding = nn.Embedding(
            num_embeddings=token_size,
            embedding_dim=300
        )
        self.device = device
        # Loading the GloVe embedding weights
        if USE_GLOVE:
            self.embedding.weight.data.copy_(torch.from_numpy(pretrained_emb))

        self.text_lstm = nn.LSTM(300,150,num_layers=1,batch_first=True)  #b,n,150 

        self.linear = nn.Sequential(
            nn.Linear(150,125),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(0.2),
            nn.Linear(125,32),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(0.4),
            nn.Linear(32,1)
        )

    def forward(self,text_feat):

        text_emb = self.embedding(text_feat) 

        first_lstm_out = []

        init_h = torch.full((1,text_feat.shape[0],150),0).float().to(self.device)
        init_c = torch.full((1,text_feat.shape[0],150),0).float().to(self.device)

        out,_ = self.text_lstm(text_emb,[init_h,init_c])
        out_pre = out[:,-1,:]  # get last representation
        output = self.linear(out)
        return output