RNN好兄弟之tf.nn.dynamic_rnn的使用

傷城~ 2021-11-11 07:38 329阅读 0赞

### RNN好兄弟之tf.nn.dynamic\_rnn的使用 ###

*  学习前言
 *   *  tf.nn.dynamic\_rnn的定义
     *  tf.nn.dynamic\_rnn的使用举例
     *   *  单层实验
         *  多层实验

# 学习前言 #

已经完成了RNN网络的构建，但是我们对于RNN网络还有许多疑问，特别是tf.nn.dynamic\_rnn函数，其具体的应用方式我们并不熟悉，查询了一下资料，我心里的想法是这样的。  
![在这里插入图片描述][20190805111334354.png_pic_center]

## tf.nn.dynamic\_rnn的定义 ##

tf.nn.dynamic_rnn(
        cell,
        inputs,
        sequence_length=None,
        initial_state=None,
        dtype=None,
        parallel_iterations=None,
        swap_memory=False,
        time_major=False,
        scope=None
    )

*  cell：上文所定义的lstm\_cell。
 *  inputs：RNN输入。如果time\_major==false（默认），则必须是如下shape的tensor：\[batch\_size，max\_time，…\]或此类元素的嵌套元组。如果time\_major==true，则必须是如下形状的tensor：\[max\_time，batch\_size，…\]或此类元素的嵌套元组。
 *  sequence\_length：Int32/Int64矢量大小。用于在超过批处理元素的序列长度时复制通过状态和零输出。因此，它更多的是为了性能而不是正确性。
 *  initial\_state：上文所定义的\_init\_state。
 *  dtype：数据类型。
 *  parallel\_iterations：并行运行的迭代次数。那些不具有任何时间依赖性并且可以并行运行的操作将是。这个参数用时间来交换空间。值>>1使用更多的内存，但花费的时间更少，而较小的值使用更少的内存，但计算需要更长的时间。
 *  time\_major：输入和输出tensor的形状格式。如果为True，这些张量的形状必须是\[max\_time，batch\_size，depth\]。如果为False，这些张量的形状必须是\[batch\_size，max\_time，depth\]。使用time\_major=true会更有效率，因为它可以避免在RNN计算的开始和结束时进行换位。但是，大多数TensorFlow数据都是批处理主数据，因此默认情况下，此函数为False。
 *  scope：创建的子图的可变作用域；默认为“RNN”。

其返回值为outputs,states。  
outputs：RNN的最后一层的输出，是一个tensor。**如果为time\_major== False，则它的shape为\[batch\_size,max\_time,cell.output\_size\]。如果为time\_major== True，则它的shape为\[max\_time,batch\_size,cell.output\_size\]。**

states：是每一层的最后一个step的输出，是一个tensor。state是最终的状态，也就是序列中最后一个cell输出的状态。**一般情况下states的形状为 \[batch\_size, cell.output\_size\]，但当输入的cell为BasicLSTMCell时，states的形状为\[2，batch\_size, cell.output\_size \]，其中2也对应着LSTM中的cell state和hidden state。**

## tf.nn.dynamic\_rnn的使用举例 ##

### 单层实验 ###

我们首先使用单层的RNN进行实验。  
使用的代码为：

import tensorflow as tf
    import numpy as np
     
    n_steps = 2         #两个step
    n_inputs = 3        #每个input是三维
    n_nerve = 4         #神经元个数
     
    X = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_steps, n_inputs])
    
    basic_cell = tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=n_nerve)
    
    outputs, states = tf.nn.dynamic_rnn(basic_cell, X, dtype=tf.float32)
     
    init = tf.global_variables_initializer()
     
    X_batch = np.array([[[0, 1, 2], [1, 2, 3]],
                        [[3, 4, 5], [4, 5, 6]],
                        [[5, 6, 7], [6, 7, 8]],
                        [[7, 8, 9], [8, 9, 10]]])
    
     
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)
        outputs_val, states_val = sess.run([outputs, states], feed_dict={
        X: X_batch})
        print("outputs:", outputs_val) 
        print("states:", states_val)

输出的log为：

outputs: [[[0.92146313 0.6069534  0.24989243 0.9305415 ]
    		   [0.9234855  0.8470011  0.7865616  0.99935764]]
    
     	  	   [[0.9772771  0.9713368  0.99483156 0.9999987 ]
      	 	   [0.9753329  0.99538314 0.9988139  1.        ]]
    
    		   [[0.9901842  0.99558043 0.9998626  1.        ]
      		   [0.989398   0.9992842  0.9999691  1.        ]]
    
     		   [[0.99577546 0.9993256  0.99999636 1.        ]
      		   [0.9954579  0.9998903  0.99999917 1.        ]]]
    states: [[0.9234855  0.8470011  0.7865616  0.99935764]
     		 [0.9753329  0.99538314 0.9988139  1.        ]
    		 [0.989398   0.9992842  0.9999691  1.        ]
     		 [0.9954579  0.9998903  0.99999917 1.        ]]

**Xin的shape是\[batch\_size = 4, max\_time = 2, depth = 3\]。  
outputs的shape是\[batch\_size = 4, max\_time = 2, cell.output\_size = 4\]。  
states的shape是\[batch\_size = 4, cell.output\_size = 4\]**  
在time\_major = False的时候：  
**Xin、outputs、states的第一维，都是batch\_size，即用于训练的batch的大小。  
Xin、outputs的第二维，都是max\_time，在本文中对应着RNN的两个step。  
outputs、states的最后一维指的是每一个RNN的Cell的输出，本文的RNN的Cell的n\_nerve为4，所以cell.output\_size = 4。Xin的最后一维指的是每一个输入样本的维度。**  
**outputs对应的是RNN的最后一层的输出，states对应的是每一层的最后一个step的输出。在RNN的层数仅1层的时候，states的输出对应为outputs最后的step的输出。**

### 多层实验 ###

接下来我们使用两层的RNN进行实验。  
使用的代码为：

import tensorflow as tf
    import numpy as np
     
    n_steps = 2         #两个step
    n_inputs = 3        #每个input是三维
    n_nerve = 4         #神经元个数
     
    X = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_steps, n_inputs])
    
    #定义多层
    layers = [tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=n_nerve) for i in range(2)]
    multi_layer_cell = tf.contrib.rnn.MultiRNNCell(layers)
    
    outputs, states = tf.nn.dynamic_rnn(multi_layer_cell, X, dtype=tf.float32)
     
    init = tf.global_variables_initializer()
     
    X_batch = np.array([[[0, 1, 2], [1, 2, 3]],
                        [[3, 4, 5], [4, 5, 6]],
                        [[5, 6, 7], [6, 7, 8]],
                        [[7, 8, 9], [8, 9, 10]]])
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)
        outputs_val, states_val = sess.run([outputs, states], feed_dict={
        X: X_batch})
        print("outputs:", outputs_val) 
        print("states:", states_val)

输出的log为：

outputs: [[[-0.577939   -0.3657474  -0.21074213  0.8188577 ]
    		   [-0.67090076 -0.47001836 -0.40080917  0.6026697 ]]
    
     		   [[-0.72777444 -0.36500326 -0.7526911   0.86113644]
      		   [-0.7928404  -0.6413429  -0.61007065  0.787065  ]]
    
     		   [[-0.7537433  -0.35850585 -0.83090436  0.8573037 ]
      		   [-0.82016116 -0.6559162  -0.7360482   0.7915131 ]]
    
     		   [[-0.7597004  -0.35760364 -0.8450942   0.8567379 ]
      		   [-0.8276395  -0.6573326  -0.7727142   0.7895221 ]]]
    states: (array([[-0.71645427, -0.0585744 ,  0.95318353,  0.8424729 ],
           		   [-0.99845   , -0.5044571 ,  0.9955299 ,  0.9750488 ],
           		   [-0.99992913, -0.8408632 ,  0.99885863,  0.9932366 ],
           		   [-0.99999577, -0.9672    ,  0.9996866 ,  0.99814796]],
          		   dtype=float32), 
          	array([[-0.67090076, -0.47001836, -0.40080917,  0.6026697 ],
           		   [-0.7928404 , -0.6413429 , -0.61007065,  0.787065  ],
           		   [-0.82016116, -0.6559162 , -0.7360482 ,  0.7915131 ],
           		   [-0.8276395 , -0.6573326 , -0.7727142 ,  0.7895221 ]],
          		   dtype=float32))

可以看出来outputs对应的是RNN的最后一层的输出，states对应的是每一层的最后一个step的输出，在完成了两层的定义后，outputs的shape并没有变化，而states的内容多了一层，分别对应RNN的两层输出。  
state中最后一层输出对应着outputs最后一步的输出。

[20190805111334354.png_pic_center]: /images/20211109/807e86b63c884cd1b768cd266f11b24c.png