用c语言写一个lstm预测的代码

时间: 2023-06-26 12:08:09 浏览: 168
LSTM(Long Short-Term Memory)是一种循环神经网络(RNN)的变体,常用于处理序列数据。下面是一个简单的C语言LSTM模型的代码示例,可以用于预测未来的序列数据。 首先,我们需要定义一些常量和超参数: ```c #define INPUT_SIZE 1 #define OUTPUT_SIZE 1 #define HIDDEN_SIZE 16 #define LEARNING_RATE 0.1 #define EPOCHS 1000 ``` 这里我们设置输入大小为1,输出大小为1,隐层大小为16,学习率为0.1,迭代次数为1000。 接下来,定义LSTM结构体: ```c typedef struct { double Wf[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE]; double Wi[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE]; double Wc[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE]; double Wo[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE]; double bf[HIDDEN_SIZE]; double bi[HIDDEN_SIZE]; double bc[HIDDEN_SIZE]; double bo[HIDDEN_SIZE]; double ct[HIDDEN_SIZE]; double ht[HIDDEN_SIZE]; } LSTM; ``` 其中,Wf、Wi、Wc、Wo是输入、遗忘、细胞状态和输出门的权重矩阵;bf、bi、bc、bo是对应的偏置向量;ct和ht为细胞状态和隐层状态。 接下来,定义一些辅助函数: ```c double sigmoid(double x) { return 1.0 / (1.0 + exp(-x)); } double tanh(double x) { return (exp(x) - exp(-x)) / (exp(x) + exp(-x)); } ``` 这里用到了sigmoid函数和tanh函数。 接下来,定义前向传播函数: ```c void forward(LSTM *lstm, double *x) { double xf[INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE]; for (int i = 0; i < INPUT_SIZE; i++) xf[i] = x[i]; for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) xf[INPUT_SIZE + i] = lstm->ht[i]; double ft[HIDDEN_SIZE], it[HIDDEN_SIZE], ct[HIDDEN_SIZE], ot[HIDDEN_SIZE], ct_new[HIDDEN_SIZE], ht_new[HIDDEN_SIZE]; for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) { ft[i] = sigmoid(dot(lstm->Wf[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bf[i]); it[i] = sigmoid(dot(lstm->Wi[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bi[i]); ct[i] = tanh(dot(lstm->Wc[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bc[i]); ct_new[i] = ft[i] * lstm->ct[i] + it[i] * ct[i]; ot[i] = sigmoid(dot(lstm->Wo[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bo[i]); ht_new[i] = ot[i] * tanh(ct_new[i]); } for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) { lstm->ct[i] = ct_new[i]; lstm->ht[i] = ht_new[i]; } } ``` 这里首先将输入和隐层状态串联起来形成一个新的向量xf。然后,根据LSTM的结构,分别计算输入门、遗忘门、细胞状态和输出门的值,最终得到新的细胞状态ct_new和隐层状态ht_new。 接下来,定义反向传播函数: ```c void backward(LSTM *lstm, double *x, double *y) { double xf[INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE]; for (int i = 0; i < INPUT_SIZE; i++) xf[i] = x[i]; for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) xf[INPUT_SIZE + i] = lstm->ht[i]; double ft[HIDDEN_SIZE], it[HIDDEN_SIZE], ct[HIDDEN_SIZE], ot[HIDDEN_SIZE], ct_new[HIDDEN_SIZE], ht_new[HIDDEN_SIZE]; double dht[HIDDEN_SIZE], dct[HIDDEN_SIZE]; double dWf[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE], dWi[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE], dWc[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE], dWo[HIDDEN_SIZE][INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE]; double dbf[HIDDEN_SIZE], dbi[HIDDEN_SIZE], dbc[HIDDEN_SIZE], dbo[HIDDEN_SIZE]; for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) { ft[i] = sigmoid(dot(lstm->Wf[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bf[i]); it[i] = sigmoid(dot(lstm->Wi[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bi[i]); ct[i] = tanh(dot(lstm->Wc[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bc[i]); ct_new[i] = ft[i] * lstm->ct[i] + it[i] * ct[i]; ot[i] = sigmoid(dot(lstm->Wo[i], xf, INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE) + lstm->bo[i]); ht_new[i] = ot[i] * tanh(ct_new[i]); } for (int i = 0; i < OUTPUT_SIZE; i++) { double dht_total = 0; for (int j = 0; j < HIDDEN_SIZE; j++) dht_total += (ht_new[j] - y[i]) * ot[j] * (1 - tanh(ct_new[j]) * tanh(ct_new[j])) * lstm->Wc[j][INPUT_SIZE + i]; dht[i] = dht_total; } for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) { double dct_total = 0; for (int j = 0; j < OUTPUT_SIZE; j++) dct_total += (ht_new[i] - y[j]) * ot[i] * (1 - tanh(ct_new[i]) * tanh(ct_new[i])) * lstm->Wo[i][INPUT_SIZE + j]; for (int j = 0; j < HIDDEN_SIZE; j++) dct_total += dct[j] * ft[i] * lstm->Wf[i][INPUT_SIZE + j]; dct[i] = dct_total; } for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) { for (int j = 0; j < INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE; j++) { dWf[i][j] = dct[i] * lstm->ct[i] * ft[i] * (1 - ft[i]) * xf[j]; dWi[i][j] = dct[i] * ct[i] * it[i] * (1 - it[i]) * xf[j]; dWc[i][j] = dct[i] * it[i] * (1 - ct[i] * ct[i]) * xf[j]; dWo[i][j] = dht[i] * tanh(ct_new[i]) * ot[i] * (1 - ot[i]) * xf[j]; } dbf[i] = dct[i] * lstm->ct[i] * ft[i] * (1 - ft[i]); dbi[i] = dct[i] * ct[i] * it[i] * (1 - it[i]); dbc[i] = dct[i] * it[i] * (1 - ct[i] * ct[i]); dbo[i] = dht[i] * tanh(ct_new[i]) * ot[i] * (1 - ot[i]); } for (int i = 0; i < HIDDEN_SIZE; i++) { for (int j = 0; j < INPUT_SIZE + HIDDEN_SIZE; j++) { lstm->Wf[i][j] -= LEARNING_RATE * dWf[i][j]; lstm->Wi[i][j] -= LEARNING_RATE * dWi[i][j]; lstm->Wc[i][j] -= LEARNING_RATE * dWc[i][j]; lstm->Wo[i][j] -= LEARNING_RATE * dWo[i][j]; } lstm->bf[i] -= LEARNING_RATE * dbf[i]; lstm->bi[i] -= LEARNING_RATE * dbi[i]; lstm->bc[i] -= LEARNING_RATE * dbc[i]; lstm->bo[i] -= LEARNING_RATE * dbo[i]; } } ``` 这里首先进行一次前向传播,然后计算输出误差对隐层状态和细胞状态的偏导数。接下来,根据公式计算各个权重的偏导数和偏置的偏导数,并更新它们的值。 最后,定义训练函数: ```c void train(double *input, double *output) { LSTM lstm; init(&lstm); for (int epoch = 0; epoch < EPOCHS; epoch++) { for (int i = 0; i < INPUT_SIZE; i++) { double x[INPUT_SIZE], y[OUTPUT_SIZE]; x[0] = input[i]; y[0] = output[i]; forward(&lstm, x); backward(&lstm, x, y); } } } ``` 这里我们首先初始化LSTM模型,然后进行多次迭代,每次迭代都遍历整个输入序列,对每个输入输出对进行训练。 这就是一个简单的C语言LSTM模型的代码示例。需要注意的是,这个模型只处理输入大小为1的序列,如果需要处理更长的序列,需要相应地调整模型的参数。
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