深度学习--------------------------------门控循环单元GRU

做RNN的时候处理不了太长的序列，这是因为把整个序列信息全部放在隐藏状态里面，当时间很长的话，隐藏状态可能就会累计很多东西，所以对于前面很久以前的信息不易从中抽取出来了。

门

$R_t$就是重置，$Z_t$就是更新
门是跟隐藏状态同样长度的一个向量，计算方式跟RNN的隐藏状态是一样的。

---

候选隐状态

假设$R_t$里面的元素靠近零的话，那么$R_t$点乘$H_{t-1}$就会变得像零。（就等于是把上一个时刻的隐藏状态忘掉。）
如果全部设成0就变成了初始状态，等于这个时刻开始前面的信息全部不要。
如果全部设成1，就表示所有前面的信息全部拿过来做当前的更新。

---

隐状态

$H_t$等于$Z_t$按元素点乘上一次的隐藏状态+(1-$Z_t$)按元素点乘候选隐藏状态

$Z_t$是一个控制单元，叫做update gate。它是在0-1之间的数字。
假设$Z_t$都等于1。（就是不更新过去的状态，把过去的状态放到现在）

假设$Z_t$都等于0。（不直接拿过去的状态了，基本上看现在的更新状态）

$Z_t$里面全0，且$R_t$里面全1的时候就回到我们RNN的情况下。

---

门控循环单元GRU从零开始实现代码

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2lbatch_size, num_steps = 32, 3
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)

初始化模型参数

def get_params(vocab_size, num_hiddens, device):num_inputs = num_outputs = vocab_sizedef normal(shape):return torch.randn(size=shape, device=device) * 0.01# 定义一个函数，生成三组权重和偏置张量，用于不同的门控机制def three():return (normal((num_inputs, num_hiddens)),normal((num_hiddens, num_hiddens)),torch.zeros(num_hiddens, device=device))W_xz, W_hz, b_z = three()  # GRU多了这两行,更新门的权重和偏置W_xr, W_hr, b_r = three()  # GRU多了这两行，重置门的权重和偏置W_xh, W_hh, b_h = three()  # 候选隐藏状态的权重和偏置# 隐藏状态到输出的权重W_hq = normal((num_hiddens, num_outputs))# 输出的偏置b_q = torch.zeros(num_outputs, device=device)params = [W_xz, W_hz, b_z, W_xr, W_hr, b_r, W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q]# 遍历参数列表中所有参数for param in params:param.requires_grad_(True)return params

---

定义隐藏状态的初始化函数

定义隐状态的初始化函数init_gru_state。与之前定义的init_rnn_state函数一样，此函数返回一个形状为（批量大小，隐藏单元个数）的张量，张量的值全部为零。

def init_gru_state(batch_size, num_hiddens, device):return (torch.zeros((batch_size, num_hiddens), device=device), )

---

定义门控循环单元模型

def gru(inputs, state, params):W_xz, W_hz, b_z, W_xr, W_hr, b_r, W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q = paramsH, = stateoutputs = []for X in inputs:Z = torch.sigmoid((X @ W_xz) + (H @ W_hz) + b_z)R = torch.sigmoid((X @ W_xr) + (H @ W_hr) + b_r)H_tilda = torch.tanh((X @ W_xh) + ((R * H) @ W_hh) + b_h)H = Z * H + (1 - Z) * H_tildaY = H @ W_hq + b_qoutputs.append(Y)return torch.cat(outputs, dim=0), (H,)

---

训练

vocab_size, num_hiddens, device = len(vocab), 256, d2l.try_gpu()
num_epochs, lr = 500, 1
model = d2l.RNNModelScratch(len(vocab), num_hiddens, device, get_params,init_gru_state, gru)
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)

---

该部分总代码

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l# 初始化模型参数
def get_params(vocab_size, num_hiddens, device):num_inputs = num_outputs = vocab_sizedef normal(shape):return torch.randn(size=shape, device=device) * 0.01# 定义一个函数，生成三组权重和偏置张量，用于不同的门控机制def three():return (normal((num_inputs, num_hiddens)),normal((num_hiddens, num_hiddens)),torch.zeros(num_hiddens, device=device))# 初始化GRU中的权重和偏置# 权重和偏置用于控制更新门W_xz, W_hz, b_z = three()  # GRU多了这两行# 权重和偏置用于控制重置门W_xr, W_hr, b_r = three()  # GRU多了这两行W_xh, W_hh, b_h = three()W_hq = normal((num_hiddens, num_outputs))b_q = torch.zeros(num_outputs, device=device)params = [W_xz, W_hz, b_z, W_xr, W_hr, b_r, W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q]for param in params:param.requires_grad_(True)return params# 定义隐藏状态的初始化函数
def init_gru_state(batch_size, num_hiddens, device):return (torch.zeros((batch_size, num_hiddens), device=device),)# 定义门控循环单元模型
def gru(inputs, state, params):# 参数 params 解包为多个变量，分别表示模型中的权重和偏置W_xz, W_hz, b_z, W_xr, W_hr, b_r, W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q = paramsH, = stateoutputs = []# 遍历输入序列中的每个时间步for X in inputs:# 更新门控机制 ZZ = torch.sigmoid((X @ W_xz) + (H @ W_hz) + b_z)# 重置门控机制 RR = torch.sigmoid((X @ W_xr) + (H @ W_hr) + b_r)H_tilda = torch.tanh((X @ W_xh) + ((R * H) @ W_hh) + b_h)H = Z * H + (1 - Z) * H_tildaY = H @ W_hq + b_qoutputs.append(Y)# 将所有输出拼接在一起，并返回拼接后的结果和最终的隐藏状态return torch.cat(outputs, dim=0), (H,)batch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
vocab_size, num_hiddens, device = len(vocab), 256, d2l.try_gpu()
num_epochs, lr = 500, 1
model = d2l.RNNModelScratch(len(vocab), num_hiddens, device, get_params, init_gru_state, gru)
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)
d2l.plt.show()

---

简洁代码实现

from torch import nn
from d2l import torch as d2lbatch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
vocab_size, num_hiddens, device = len(vocab), 256, d2l.try_gpu()
num_epochs, lr = 500, 1
num_inputs = vocab_size
gru_layer = nn.GRU(num_inputs, num_hiddens)
model = d2l.RNNModel(gru_layer, len(vocab))
model = model.to(device)
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)
d2l.plt.show()