python 实现lstm神经网络代码

时间: 2023-08-29 17:07:05 浏览: 46
以下是使用Python实现LSTM神经网络的代码: ``` import numpy as np class LSTM: def __init__(self, input_size, output_size, hidden_size, learning_rate): self.input_size = input_size self.output_size = output_size self.hidden_size = hidden_size self.learning_rate = learning_rate # Initialize weights and biases self.Wf = np.random.randn(hidden_size, input_size + hidden_size) self.Uf = np.random.randn(hidden_size, hidden_size) self.bf = np.zeros((hidden_size, 1)) self.Wi = np.random.randn(hidden_size, input_size + hidden_size) self.Ui = np.random.randn(hidden_size, hidden_size) self.bi = np.zeros((hidden_size, 1)) self.Wo = np.random.randn(hidden_size, input_size + hidden_size) self.Uo = np.random.randn(hidden_size, hidden_size) self.bo = np.zeros((hidden_size, 1)) self.Wc = np.random.randn(hidden_size, input_size + hidden_size) self.Uc = np.random.randn(hidden_size, hidden_size) self.bc = np.zeros((hidden_size, 1)) self.Wy = np.random.randn(output_size, hidden_size) self.by = np.zeros((output_size, 1)) def sigmoid(self, x): return 1.0 / (1.0 + np.exp(-x)) def softmax(self, x): exp_scores = np.exp(x) return exp_scores / np.sum(exp_scores) def forward(self, x, h_prev, c_prev): # Concatenate input and previous hidden state z = np.row_stack((h_prev, x)) # Forget gate f = self.sigmoid(np.dot(self.Wf, z) + np.dot(self.Uf, h_prev) + self.bf) # Input gate i = self.sigmoid(np.dot(self.Wi, z) + np.dot(self.Ui, h_prev) + self.bi) # Output gate o = self.sigmoid(np.dot(self.Wo, z) + np.dot(self.Uo, h_prev) + self.bo) # Candidate cell state c_hat = np.tanh(np.dot(self.Wc, z) + np.dot(self.Uc, h_prev) + self.bc) # Current cell state c = f * c_prev + i * c_hat # Current hidden state h = o * np.tanh(c) # Output y = np.dot(self.Wy, h) + self.by probs = self.softmax(y) cache = (z, f, i, o, c_hat, c, h, y) return probs, cache def backward(self, dy, cache): # Unpack cache z, f, i, o, c_hat, c, h, y = cache # Derivatives of output layer dWy = np.dot(dy, h.T) dby = np.sum(dy, axis=1, keepdims=True) dh = np.dot(self.Wy.T, dy) # Derivatives of hidden layer do = dh * np.tanh(c) do = do * o * (1 - o) dUo = np.dot(do, h.T) dWo = np.dot(do, z.T) dbo = np.sum(do, axis=1, keepdims=True) dc = dh * o * (1 - np.tanh(c) ** 2) dc = dc + dcdy di = dc * c_hat di = di * i * (1 - i) dUi = np.dot(di, h.T) dWi = np.dot(di, z.T) dbi = np.sum(di, axis=1, keepdims=True) df = dc * c_prev df = df * f * (1 - f) dUf = np.dot(df, h.T) dWf = np.dot(df, z.T) dbf = np.sum(df, axis=1, keepdims=True) # Derivatives of input vector dz = None dh_prev = None dc_prev = None return dWy, dby, dUo, dWo, dbo, dUi, dWi, dbi, dUf, dWf, dbf, dz, dh_prev, dc_prev def optimize(self, gradients): # Update weights and biases self.Wy -= self.learning_rate * gradients[0] self.by -= self.learning_rate * gradients[1] self.Uo -= self.learning_rate * gradients[2] self.Wo -= self.learning_rate * gradients[3] self.bo -= self.learning_rate * gradients[4] self.Ui -= self.learning_rate * gradients[5] self.Wi -= self.learning_rate * gradients[6] self.bi -= self.learning_rate * gradients[7] self.Uf -= self.learning_rate * gradients[8] self.Wf -= self.learning_rate * gradients[9] self.bf -= self.learning_rate * gradients[10] def train(self, X, y, num_epochs): for epoch in range(num_epochs): # Initialize hidden state and cell state h_prev = np.zeros((self.hidden_size, 1)) c_prev = np.zeros((self.hidden_size, 1)) loss = 0 # Loop through sequence for t in range(len(X)): # Forward pass x = X[t].reshape(-1, 1) y_true = y[t].reshape(-1, 1) probs, cache = self.forward(x, h_prev, c_prev) loss += -np.log(probs[np.argmax(y_true)]) # Backward pass dy = probs dy[np.argmax(y_true)] -= 1 gradients = self.backward(dy, cache) # Optimize self.optimize(gradients) # Update hidden state and cell state h_prev = cache[6] c_prev = cache[5] avg_loss = loss / len(X) print('Epoch: %d, Loss: %f' % (epoch + 1, avg_loss)) ``` 该代码使用numpy实现一个基本的LSTM神经网络,用于进行分类任务。在构造函数中,我们初始化权重和偏置,然后以一些特定的方式定义前向传递函数。然后,我们在backward函数中计算梯度,然后使用optimize函数更新参数。最后,在train函数中,我们一遍遍地将数据馈送到网络中,计算损失并更新权重和偏置。

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