Нейросети. Обработка естественного языка
Шрифт:
X = [series[i:i+n_steps] for i in range(n_samples)]
y = series[n_steps:]
X = np.array(X).reshape(-1, n_steps, 1)
y = np.array(y)
# Создаем модель RNN
model = Sequential
model.add(SimpleRNN(10, activation="relu", input_shape=[n_steps, 1]))
model.add(Dense(1))
# Компилируем модель
model.compile(optimizer="adam", loss="mse")
# Обучаем модель
model.fit(X, y, epochs=10)
# Делаем прогноз на будущее
future_steps = 10
future_x = X[-1, :, :]
future_predictions = []
for _ in range(future_steps):
future_pred = model.predict(future_x.reshape(1, n_steps, 1))
future_predictions.append(future_pred[0, 0])
future_x = np.roll(future_x, shift=-1)
future_x[-1] = future_pred[0, 0]
#
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(np.arange(n_steps), X[-1, :, 0], label="Исходные данные")
plt.plot(np.arange(n_steps, n_steps+future_steps), future_predictions, label="Прогноз")
plt.xlabel("Временной шаг")
plt.ylabel("Значение")
plt.legend
plt.show
```
В этом примере:
– Мы создаем простую RNN с одним слоем, который прогнозирует следующее значение временного ряда на основе предыдущих значений.
– Обучаем модель с использованием оптимизатора "adam" и функции потерь "mse" (Mean Squared Error).
– Затем делаем прогнозы на несколько временных шагов вперед, обновляя входные данные с учетом предсказанных значений.
На результате кода, который вы предоставили, мы видим следующее:
1. Исходные данные (синяя линия): Это начальная часть временного ряда, который был сгенерирован. В данном случае, это линейная функция (0.1 * time) с добавленными синусоидальными колебаниями (np.sin(time)).
2. Прогноз (оранжевая линия): Это результаты прогноза, сделанные моделью RNN на будущее. Модель обучается на исходных данных и затем пытается предсказать значения временного ряда на заданное количество временных шагов вперед (future_steps).
Из этой визуализации видно, как модель RNN пытается аппроксимировать исходный временной ряд и делает прогнозы на основе предыдущих значений. Оранжевая линия отображает прогнозируемую часть временного ряда на будущее.
Завершив обучение и сделав прогнозы, вы можете визуально оценить, насколько хорошо модель справилась с задачей прогнозирования временного ряда.
В этом примере обучаемые параметры модели – это веса и смещения в слое RNN и в слое Dense. Модель настраивает эти параметры в процессе обучения, чтобы минимизировать ошибку прогноза временного ряда.
Обучаемые параметры позволяют модели адаптироваться к данным и находить закономерности, что делает их мощным инструментом для разнообразных задач машинного обучения.
Однако RNN имеют несколько ограничений, из которых наиболее значимой является проблема затухания градиентов (vanishing gradients). Эта проблема заключается в том, что при
Для решения проблемы затухания градиентов были разработаны более продвинутые архитектуры RNN:
Long Short-Term Memory (LSTM):
Long Short-Term Memory (LSTM) – это одна из наиболее популярных архитектур в области рекуррентных нейронных сетей (RNN). Она разработана для работы с последовательными данными и способна эффективно учитывать долгосрочные зависимости в данных. Давайте подробнее разберем, как работает LSTM:
Специальные ячейки LSTM: Основная особенность LSTM заключается в использовании специальных ячеек памяти, которые позволяют сохранять и извлекать информацию из прошлых состояний. Эти ячейки состоят из нескольких внутренних гейтов (гейт – это устройство, которое решает, какая информация должна быть сохранена и какая должна быть проигнорирована).
Забывающий гейт (Forget Gate): Этот гейт определяет, какая информация из прошлых состояний следует забыть или удалить из памяти ячейки. Он работает с текущим входом и предыдущим состоянием и выдает значение от 0 до 1 для каждой информации, которая указывает, следует ли ее забыть или сохранить.
Входной гейт (Input Gate): Этот гейт определяет, какая информация из текущего входа должна быть добавлена в память ячейки. Он также работает с текущим входом и предыдущим состоянием, и вычисляет, какие значения следует обновить.
Обновление памяти (Cell State Update): На этом этапе обновляется состояние памяти ячейки на основе результатов забывающего гейта и входного гейта. Это новое состояние памяти будет использоваться на следующем временном шаге.
Выходной гейт (Output Gate): Этот гейт определяет, какую информацию из текущего состояния памяти следует использовать на выходе. Он учитывает текущий вход и предыдущее состояние, чтобы определить, какую информацию передать на выход.
Долгосрочные зависимости: Благодаря специальным ячейкам и гейтам, LSTM способна учитывать долгосрочные зависимости в данных. Она может эффективно хранить информацию на протяжении многих временных шагов и извлекать ее, когда это необходимо.
Применение LSTM: LSTM широко используется в задачах, связанных с последовательными данными, таких как обработка текста, анализ временных рядов, машинный перевод, генерация текста и многие другие. Ее способность учитывать долгосрочные зависимости делает ее мощным инструментом для анализа и моделирования последовательных данных.
Лучший способ понять, как работает Long Short-Term Memory (LSTM), – это применить его на практике в рамках конкретной задачи. Давайте рассмотрим пример применения LSTM для анализа временных рядов в Python с использованием библиотеки TensorFlow и библиотеки pandas: