4.8.双向循环神经网络

双向循环神经网络

​ 在序列模型中，我们总是关注之前的信息，并以此来对下一个输出进行预测，但可能未来的信息也很重要，比如文本序列填空：

• 我___。
• 我___饿了。
• 我___饿了，我可以吃半头猪。

​ 我们可以分别填，happy,not, very。但很明显，very更为合适，因为下文传达了非常重要的信息（如果有的话)，所以无法利用这一点的序列模型将在相关任务上表现不佳。

​ 例如，命名实体识别('Green’是绿色还是格林先生)，不同长度的上下文范围重要性是相同的。

1.双向模型

​ 想让模型拥有一定程度的前瞻能力，只需要增加一个从最后一个词元开始从后向前运行的循环神经网络，而不是只有一个在前向模式下运行的循环神经网络。

​ 双向循环神经网络(bidirectional RNNs)添加了反向传递信息的隐藏层，以便更灵活地处理此类信息。

1.1 定义

​ 对于任意时间步$t$，给定一个小批量的输入数据$X_t\in R^{n\times d}$（样本数$n$，每个示例中的输入数$d$），并且令隐藏层激活函数为$\varphi$。在双向架构中，我们设该时间步的前向和反向隐状态分别为${\overrightarrow{H}}_t,{\overleftarrow{H}}_t\in R^{n\times h}$，其中$h$是隐藏单元的数目。前向和反向隐状态的更新如下：
$$\begin{gathered} {\overrightarrow{H}}_t=\varphi (X_t{W}_{xh}^{(f)}+{\overrightarrow{H}}_{t-1}{W}_{hh}^f+b_h^{(f)}) \\ {\overleftarrow{H}}_t=\varphi (X_t{W}_{xh}^{(b)}+{\overleftarrow{H}}_{t+1}{W}_{hh}^{(b)}+b_h^{(b)}) \end{gathered}$$
​ 其中权重$W_{xh}^{(f)},W_{xh}^{(b)}\in R^{d\times h}，W_{hh}^{(f)},W_{hh}^{(b)}\in R^{h\times h}$,偏置$b_h^{(f)},b_h^{(b)}\in R^{1\times h}$都是模型参数。

​ 随后，将前向隐状态${\overrightarrow{H}}_t$和反向隐状态${\overleftarrow{H}}_t$连接起来，获得需要送入输出层的隐状态$H_t\in R^{n\times 2h}$， 在具有多个隐藏层的深度双向循环神经网络中， 该信息作为输入传递到下一个双向层。 最后，输出层计算得到的输出为$O_t\in R^{n\times q}$(q是输出单元的数目)：
$$O_t=H_t{W}_{hq}+b_q$$
​ 这里，权重矩阵$W_{hq}\in R^{2h\times q}$和偏置$b_q\in R^{1\times q}$是输出层的模型参数。这两个方向可以有不同数量的隐藏单元。

2.代码实现(错误应用)

​ 双向循环神经网络使用了过去和未来的数据，所以不能盲目地将这一语言模型应用于任何预测任务。尽管模型产出的困惑度是合理的，该模型预测未来词元的能力却可能存在严重缺陷。

​ 下面的代码用来展示如何使用双向LSTM模型，引以为戒。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

# 加载数据
batch_size, num_steps, device = 32, 35, d2l.try_gpu()
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
# 通过设置“bidirective=True”来定义双向LSTM模型
vocab_size, num_hiddens, num_layers = len(vocab), 256, 2
num_inputs = vocab_size
lstm_layer = nn.LSTM(num_inputs, num_hiddens, num_layers, bidirectional=True)
model = d2l.RNNModel(lstm_layer, len(vocab))
model = model.to(device)
# 训练模型
num_epochs, lr = 500, 1
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)

'''
perplexity 1.1, 131129.2 tokens/sec on cuda:0
time travellerererererererererererererererererererererererererer
travellerererererererererererererererererererererererererer
'''