基于pytorch实现多头注意力机制的LSTM网络模型

时间: 2023-09-25 15:11:04 浏览: 85
实现多头注意力机制的LSTM网络模型可以分为以下几个步骤: 1. 导入所需的库 ```python import torch import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F ``` 2. 定义多头注意力机制的类 ```python class MultiHeadAttention(nn.Module): def __init__(self, n_heads, d_model, dropout): super(MultiHeadAttention, self).__init__() self.n_heads = n_heads self.d_k = d_model // n_heads self.q_linear = nn.Linear(d_model, d_model) self.v_linear = nn.Linear(d_model, d_model) self.k_linear = nn.Linear(d_model, d_model) self.dropout = nn.Dropout(dropout) self.out = nn.Linear(d_model, d_model) def forward(self, q, k, v, mask=None): bs = q.size(0) # perform linear operation and split into N heads k = self.k_linear(k).view(bs, -1, self.n_heads, self.d_k) q = self.q_linear(q).view(bs, -1, self.n_heads, self.d_k) v = self.v_linear(v).view(bs, -1, self.n_heads, self.d_k) # transpose to get dimensions bs * N * sl * d_model k = k.transpose(1,2) q = q.transpose(1,2) v = v.transpose(1,2) # calculate attention using function we will define next scores = self.attention(q, k, v, self.d_k, mask, self.dropout) # concatenate heads and put through final linear layer concat = scores.transpose(1,2).contiguous().view(bs, -1, self.n_heads*self.d_k) output = self.out(concat) return output ``` 在构建多头注意力机制的类时,我们首先需要定义每个头的数量、模型维度和丢失率。在构造函数中,我们定义了线性层,以将输入线性映射到查询、键和值空间。我们还使用了`nn.Dropout`来减少过拟合。在`forward`函数中,我们首先对输入进行线性变换,并将输出重塑为多头矩阵。然后我们执行一个自定义的`attention`函数,该函数将计算注意力权重,并将结果与值矩阵相乘。最后,我们将多头矩阵重新连接,并通过一个线性层输出。 3. 定义自定义的注意力函数 ```python def attention(q, k, v, d_k, mask=None, dropout=None): scores = torch.matmul(q, k.transpose(-2, -1)) / math.sqrt(d_k) if mask is not None: mask = mask.unsqueeze(1) scores = scores.masked_fill(mask == 0, -1e9) scores = F.softmax(scores, dim=-1) if dropout is not None: scores = dropout(scores) output = torch.matmul(scores, v) return output ``` 在自定义的注意力函数中,我们首先通过将查询矩阵和键矩阵相乘并除以`sqrt(d_k)`来计算得分。然后,我们可以选择应用掩码来避免将注意力权重分配给无关的值。接下来,我们对得分进行softmax操作,并在需要时应用dropout。最后,我们将注意力权重乘以值矩阵,以获得最终的输出。 4. 定义LSTM网络模型 ```python class LSTMModel(nn.Module): def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim, n_layers, n_heads, dropout): super(LSTMModel, self).__init__() self.hidden_dim = hidden_dim self.n_layers = n_layers self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, n_layers, batch_first=True, bidirectional=True) self.attention = MultiHeadAttention(n_heads, hidden_dim*2, dropout) self.fc = nn.Linear(hidden_dim*2, output_dim) def forward(self, x): h0 = torch.zeros(self.n_layers*2, x.size(0), self.hidden_dim).to(device) c0 = torch.zeros(self.n_layers*2, x.size(0), self.hidden_dim).to(device) output, (hidden, cell) = self.lstm(x, (h0, c0)) # Apply attention attention_output = self.attention(output, output, output) # Concatenate hidden states from last layer hidden = torch.cat((hidden[-2,:,:], hidden[-1,:,:]), dim = 1) out = self.fc(hidden) return out ``` 在构建LSTM网络模型时,我们首先定义了输入维度、隐藏维度、输出维度、层数、多头数和丢失率。在构造函数中,我们定义了一个双向LSTM层和一个多头注意力层。在`forward`函数中,我们首先将输入通过LSTM层,并获取隐藏状态。然后,我们将LSTM的输出输入多头注意力层。接下来,我们将最后一层的隐藏状态连接起来,并通过一个线性层输出。 5. 实例化模型并训练 ```python # 定义超参数 input_dim = 10 hidden_dim = 32 output_dim = 1 n_layers = 2 n_heads = 4 dropout = 0.2 learning_rate = 0.001 num_epochs = 10 # 实例化模型 model = LSTMModel(input_dim, hidden_dim, output_dim, n_layers, n_heads, dropout).to(device) # 定义损失函数和优化器 criterion = nn.MSELoss() optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate) # 训练模型 for epoch in range(num_epochs): for i, (inputs, targets) in enumerate(train_loader): inputs, targets = inputs.to(device), targets.to(device) optimizer.zero_grad() outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, targets) loss.backward() optimizer.step() if (i+1) % 10 == 0: print('Epoch [{}/{}], Step [{}/{}], Loss: {:.4f}'.format(epoch+1, num_epochs, i+1, len(train_loader), loss.item())) ``` 在实例化模型并定义损失函数和优化器之后,我们可以开始训练模型。在每个epoch中,我们通过迭代训练数据集中的每个批次来更新模型。最后,我们可以使用训练好的模型进行预测。

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