cs231n 作业3
使用普通RNN进行图像标注
单个RNN神经元行为

前向传播:
反向传播:
def rnn_step_backward(dnext_h, cache):dx, dprev_h, dWx, dWh, db = None, None, None, None, Nonex, Wx, Wh, prev_h, next_h = cachedtanh = 1 - next_h**2dx = (dnext_h*dtanh).dot(Wx.T)dWx = x.T.dot(dnext_h*dtanh)dprev_h = (dnext_h*dtanh).dot(Wh.T)dWh = prev_h.T.dot(dnext_h*dtanh)db = np.sum(dnext_h*dtanh,axis=0)return dx, dprev_h, dWx, dWh, db
单层RNN神经元行为
RNN输出有两个方向,一个向上一层(输出层),一个向同层下一个时序,所以反向传播时两个梯度需要相加,输出层梯度可以直接求出(或是上一层中递归求出),所以使用dh(N,T,H)保存好,而同层时序梯度必须在同层中递归计算。

正向传播:
def rnn_forward(x, h0, Wx, Wh, b):h, cache = None, NoneN, T, D = x.shape_, H = h0.shapeh = np.zeros((N,T,H))h_next = h0cache = []for i in range(T):h[:,i,:], cache_next = rnn_step_forward(x[:,i,:], h_next, Wx, Wh, b)h_next = h[:,i,:]cache.append(cache_next)return h, cache
反向传播:
def rnn_backward(dh, cache):dx, dh0, dWx, dWh, db = None, None, None, None, Nonex, Wx, Wh, prev_h, next_h = cache[-1]_, D = x.shapeN, T, H = dh.shapedx = np.zeros((N,T,D))dh0 = np.zeros((N,H))dWx = np.zeros((D,H))dWh = np.zeros((H,H))db = np.zeros(H)dprev_h_ = np.zeros((N,H))for i in range(T-1,-1,-1):dx_, dprev_h_, dWx_, dWh_, db_ = rnn_step_backward(dh[:,i,:] + dprev_h_, cache.pop())dx[:,i,:] = dx_dh0 = dprev_h_dWx += dWx_dWh += dWh_db += db_return dx, dh0, dWx, dWh, db
使用LSTM进行图像标注
【LSTM】深入浅出讲解长短时记忆神经网络(结构、原理)
有三种方法应对梯度消失问题:
(1)合理的初始化权重值。初始化权重,使每个神经元尽可能不要取极大或极小值,以躲开梯度消失的区域。
(2)使用 ReLu 代替 sigmoid 和 tanh 作为激活函数。
(3)使用其他结构的RNNS,比如长短时记忆网络(LSTM)和 门控循环单元(GRU),这是最流行的做法。

单个LSTM神经元向前传播:
def lstm_step_forward(x, prev_h, prev_c, Wx, Wh, b):next_h, next_c, cache = None, None, None_, H = prev_h.shapea = x.dot(Wx) + prev_h.dot(Wh) + bi,f,o,g = sigmoid(a[:,:H]),sigmoid(a[:,H:2*H]),sigmoid(a[:,2*H:3*H]),np.tanh(a[:,3*H:])next_c = f*prev_c + i*gnext_h = o*np.tanh(next_c)cache = [i, f, o, g, x, prev_h, prev_c, Wx, Wh, b, next_c]return next_h, next_c, cache
层LSTM神经元向前传播
def lstm_forward(x, h0, Wx, Wh, b):h, cache = None, NoneN,T,D = x.shapenext_c = np.zeros_like(h0)next_h = h0h, cache = [], []for i in range(T):next_h, next_c, cache_step = lstm_step_forward(x[:,i,:], next_h, next_c, Wx, Wh, b)h.append(next_h)cache.append(cache_step)h = np.array(h).transpose(1,0,2) #<-----------注意分析h存储后的维度是(T,N,H),需要转置为(N,T,H)return h, cache
单个LSTM神经元反向传播
def lstm_step_backward(dnext_h, dnext_c, cache):dx, dprev_h, dprev_c, dWx, dWh, db = None, None, None, None, None, Nonei, f, o, g, x, prev_h, prev_c, Wx, Wh, b, next_c = cachedo = dnext_h*np.tanh(next_c)dnext_c += dnext_h*o*(1-np.tanh(next_c)**2) #<-----------上面分析行为有提到这里的求法di, df, dg, dprev_c = (g, prev_c, i, f) * dnext_cda = np.concatenate([i*(1-i)*di, f*(1-f)*df, o*(1-o)*do, (1-g**2)*dg],axis=1)db = np.sum(da,axis=0)dx, dWx, dprev_h, dWh = (da.dot(Wx.T), x.T.dot(da), da.dot(Wh.T), prev_h.T.dot(da))return dx, dprev_h, dprev_c, dWx, dWh, db
层LSTM神经元反向传播
def lstm_backward(dh, cache):dx, dh0, dWx, dWh, db = None, None, None, None, NoneN,T,H = dh.shape_, D = cache[0][4].shapedx, dh0, dWx, dWh, db = \[], np.zeros((N, H), dtype='float32'), \np.zeros((D, 4*H), dtype='float32'), np.zeros((H, 4*H), dtype='float32'), np.zeros(4*H, dtype='float32')step_dprev_h, step_dprev_c = np.zeros((N,H)),np.zeros((N,H))for i in xrange(T-1, -1, -1):step_dx, step_dprev_h, step_dprev_c, step_dWx, step_dWh, step_db = \lstm_step_backward(dh[:,i,:] + step_dprev_h, step_dprev_c, cache[i])dx.append(step_dx) # 每一个输入节点都有自己的梯度dWx += step_dWx # 层共享参数,需要累加和dWh += step_dWh # 层共享参数,需要累加和db += step_db # 层共享参数,需要累加和dh0 = step_dprev_h # 只有最初输入的h0,即feature的投影(图像标注中),需要存储梯度dx = np.array(dx[::-1]).transpose((1,0,2))return dx, dh0, dWx, dWh, db
图像梯度:显著图和高效图像
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