贝叶斯优化lstmpython

时间: 2025-01-13 19:53:37 浏览: 34

使用贝叶斯优化改进LSTM模型

安装依赖库

为了在Python中使用贝叶斯优化来调整LSTM模型的超参数,首先需要安装必要的软件包。这通常包括scikit-optimize作为贝叶斯优化工具以及常用的机器学习框架如TensorFlow或PyTorch。

pip install scikit-optimize tensorflow numpy pandas matplotlib bayesian-optimization

导入所需模块

接下来,在脚本顶部导入所需的Python库:

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, LSTM
from skopt import gp_minimize
from skopt.space import Real, Integer
from skopt.utils import use_named_args
from skopt.plots import plot_convergence
import matplotlib.pyplot as plt

准备数据集

假设有一个时间序列数据集存储在一个CSV文件中,可以按照如下方式加载并预处理这些数据[^2]:

data = pd.read_csv('time_series_data.csv')
values = data['value'].values.reshape(-1, 1)

# 创建滞后特征
def create_dataset(dataset, look_back=1):
    X, Y = [], []
    for i in range(len(dataset)-look_back-1):
        a = dataset[i:(i+look_back), 0]
        X.append(a)
        Y.append(dataset[i + look_back, 0])
    return np.array(X), np.array(Y)

look_back = 3
X, y = create_dataset(values, look_back)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, shuffle=False)

# 将输入重塑成 [样本数, 时间步长, 特征数量] 的形式
X_train = X_train.reshape((X_train.shape[0], X_train.shape[1], 1))
X_test = X_test.reshape((X_test.shape[0], X_test.shape[1], 1))

构建LSTM模型函数

定义一个创建LSTM模型的功能,并允许通过传递不同配置来自定义其架构:

def build_lstm_model(input_shape, units, dropout_rate, learning_rate):
    model = Sequential()
    model.add(LSTM(units=units,
                   input_shape=input_shape,
                   activation='relu',
                   recurrent_dropout=dropout_rate))
    model.add(Dense(1))

    from tensorflow.keras.optimizers import Adam
    optimizer = Adam(lr=learning_rate)
    
    model.compile(loss="mean_squared_error", metrics=['mae'], optimizer=optimizer)
    return model

设置搜索空间

指定想要优化的超参数范围及其对应的分布类型:

dim_units = Integer(low=8, high=64, name='units')
dim_learning_rate = Real(low=1e-4, high=1e-2, prior='log-uniform', name='learning_rate')
dim_dropout_rate = Real(low=0.0, high=0.5, name='dropout_rate')

dimensions = [dim_units, dim_learning_rate, dim_dropout_rate]

default_parameters = [32, 1e-3, 0.2]

定义评估指标

编写一个计算给定一组超参数下模型性能得分的方法:

@use_named_args(dimensions=dimensions)
def fitness(units, learning_rate, dropout_rate):

    # 建立新的LSTM模型实例
    model = build_lstm_model(
        (look_back, 1),
        int(units),
        float(dropout_rate),
        float(learning_rate)
    )

    history = model.fit(X_train, y_train,
                        epochs=10,
                        batch_size=int(np.sqrt(len(y_train))),
                        validation_split=0.2,
                        verbose=0).history
    
    val_loss = min(history["val_loss"])
    print(f'Validation Loss: {val_loss:.4f}')
    return val_loss

执行贝叶斯优化过程

利用高斯进程最小化器执行实际的贝叶斯优化迭代:

search_result = gp_minimize(func=fitness,
                            dimensions=dimensions,
                            acq_func='EI',  # Acquisition function EI or PI etc.
                            n_calls=20,
                            x0=default_parameters)

print("Best parameters found:")
best_params = dict(zip(['units', 'learning_rate', 'dropout_rate'], search_result.x))
for k, v in best_params.items():
    print(k, '=', v)

可视化收敛情况

最后绘制图表以直观显示寻优过程中验证误差的变化趋势:

plot_convergence(search_result)
plt.show()
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