LSTM - 对部分序列进行预测

Question

这个问题在我问过的previous question 中继续。

我已经训练了一个 LSTM 模型来预测一个包含 100 个样本的批次的二进制类（1 或 0），每个样本有 3 个特征，即：数据的形状是 (m, 100, 3)，其中 m 是批次数。

数据：

[
    [[1,2,3],[1,2,3]... 100 sampels],
    [[1,2,3],[1,2,3]... 100 sampels],
    ... avaialble batches in the training data
]

目标：

[
   [1]
   [0]
   ...
]

型号代码：

def build_model(num_samples, num_features, is_training):
    model = Sequential()
    opt = optimizers.Adam(lr=0.0005, beta_1=0.9, beta_2=0.999, epsilon=1e-08, decay=0.0001)

    batch_size = None if is_training else 1
    stateful = False if is_training else True
    first_lstm = LSTM(32, batch_input_shape=(batch_size, num_samples, num_features), return_sequences=True,
                      activation='tanh', stateful=stateful)

    model.add(first_lstm)
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(Dropout(0.2))
    model.add(LSTM(16, return_sequences=True, activation='tanh', stateful=stateful))
    model.add(Dropout(0.2))
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(LSTM(8, return_sequences=False, activation='tanh', stateful=stateful))
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

    if is_training:
        model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=opt,
                      metrics=['accuracy', keras_metrics.precision(), keras_metrics.recall(), f1])
    return model

对于训练阶段，模型是非有状态的。在预测我使用有状态模型时，迭代数据并输出每个样本的概率：

for index, row in data.iterrows():
    if index % 100 == 0:
        predicting_model.reset_states()
    vals = np.array([[row[['a', 'b', 'c']].values]])
    prob = predicting_model.predict_on_batch(vals)

当查看批次结束时的概率时，这正是我在预测整个批次时得到的值（不是一个一个）。但是，我预计当新样本到达时，概率将始终朝着正确的方向发展。实际发生的是概率输出可能会在任意样本上飙升到错误的类别（见下文）。

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预测时间内的 100 个样本批次中的两个样本（标签 = 1）：

和标签 = 0：

有没有办法实现我想要的（在预测概率时避免极端峰值），或者这是一个既定的事实？

任何解释，建议将不胜感激。

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更新 感谢@today 的建议，我尝试在最后一个 LSTM 层上使用return_sequence=True 为每个输入时间步使用隐藏状态输出训练网络。

所以现在标签看起来像这样（形状（100,100））：

[[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
 [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
  1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
  1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]
...]

模型总结：

Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
lstm_1 (LSTM)                (None, 100, 32)           4608      
_________________________________________________________________
leaky_re_lu_1 (LeakyReLU)    (None, 100, 32)           0         
_________________________________________________________________
dropout_1 (Dropout)          (None, 100, 32)           0         
_________________________________________________________________
lstm_2 (LSTM)                (None, 100, 16)           3136      
_________________________________________________________________
dropout_2 (Dropout)          (None, 100, 16)           0         
_________________________________________________________________
leaky_re_lu_2 (LeakyReLU)    (None, 100, 16)           0         
_________________________________________________________________
lstm_3 (LSTM)                (None, 100, 8)            800       
_________________________________________________________________
leaky_re_lu_3 (LeakyReLU)    (None, 100, 8)            0         
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 100, 1)            9         
=================================================================
Total params: 8,553
Trainable params: 8,553
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

但是，我得到了一个例外：

ValueError: Error when checking target: expected dense_1 to have 3 dimensions, but got array with shape (75, 100)

我需要解决什么问题？

Answer 1

注意：这只是一个想法，可能是错误的。如果您愿意，请尝试一下，如果您有任何反馈，我将不胜感激。

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有没有办法实现我想要的（避免极端尖峰，而 预测概率），或者这是一个给定的事实？

您可以这样做实验：将最后一个 LSTM 层的return_sequences 参数设置为True，并将每个样本的标签复制到每个样本的长度。例如，如果一个样本的长度为 100，其标签为 0，则为该样本创建一个由 100 个零组成的新标签（您可以使用像 np.repeat 这样的 numpy 函数轻松完成此操作）。然后重新训练你的新模型，然后在新样本上进行测试。我不确定这一点，但我希望这次会有更多单调递增/递减的概率图。

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更新：你提到的错误是由于标签应该是一个 3D 数组（查看模型摘要中最后一层的输出形状）。使用np.expand_dims 在末尾添加另一个尺寸为 1 的轴。重复标签的正确方法如下所示，假设y_train 的形状为(num_samples,)：

rep_y_train = np.repeat(y_train, num_reps).reshape(-1, num_reps, 1)

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IMDB数据集实验：

实际上，我使用带有一个 LSTM 层的简单模型在 IMDB 数据集上尝试了上面建议的实验。有一次，我每个样本只使用一个标签（如@Shlomi 的原始方法），另一次我复制标签以每个样本的每个时间步长一个标签 strong>（正如我上面建议的）。如果您想自己尝试，这里是代码：

from keras.layers import *
from keras.models import Sequential, Model
from keras.datasets import imdb
from keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
import numpy as np

vocab_size = 10000
max_len = 200
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = imdb.load_data(num_words=vocab_size)
X_train = pad_sequences(x_train, maxlen=max_len)

def create_model(return_seq=False, stateful=False):
    batch_size = 1 if stateful else None
    model = Sequential()
    model.add(Embedding(vocab_size, 128, batch_input_shape=(batch_size, None)))
    model.add(CuDNNLSTM(64, return_sequences=return_seq, stateful=stateful))
    model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

    model.compile(optimizer='rmsprop', loss='binary_crossentropy', metrics=['acc'])
    return model

# train model with one label per sample
train_model = create_model()
train_model.fit(X_train, y_train, epochs=10, batch_size=128, validation_split=0.3)

# replicate the labels
y_train_rep = np.repeat(y_train, max_len).reshape(-1, max_len, 1)

# train model with one label per timestep
rep_train_model = create_model(True)
rep_train_model.fit(X_train, y_train_rep, epochs=10, batch_size=128, validation_split=0.3)

然后我们可以创建训练模型的有状态副本并在一些测试数据上运行它们以比较它们的结果：

# replica of `train_model` with the same weights
test_model = create_model(False, True)
test_model.set_weights(train_model.get_weights())
test_model.reset_states()

# replica of `rep_train_model` with the same weights
rep_test_model = create_model(True, True)
rep_test_model.set_weights(rep_train_model.get_weights())
rep_test_model.reset_states()

def stateful_predict(model, samples):
    preds = []
    for s in samples:
        model.reset_states()
        ps = []
        for ts in s:
            p = model.predict(np.array([[ts]]))
            ps.append(p[0,0])
        preds.append(list(ps))
    return preds

X_test = pad_sequences(x_test, maxlen=max_len)

其实X_test的第一个样本标签为0（即属于负类），X_test的第二个样本标签为1（即属于正类）。因此，让我们首先看看test_model（即每个样本使用一个标签训练的那个）对这两个样本的状态预测会是什么样子：

import matplotlib.pyplot as plt

preds = stateful_predict(test_model, X_test[0:2])

plt.plot(preds[0])
plt.plot(preds[1])
plt.legend(['Class 0', 'Class 1'])

结果：

最后（即时间步长 200）正确的标签（即概率），但在两者之间非常尖锐和波动。现在让我们将其与rep_test_model 的状态预测（即每个时间步使用一个标签训练的预测）进行比较：

preds = stateful_predict(rep_test_model, X_test[0:2])

plt.plot(preds[0])
plt.plot(preds[1])
plt.legend(['Class 0', 'Class 1'])

结果：

再次，最后正确的标签预测，但这次的趋势更加平滑和单调，正如预期的那样。

请注意，这只是一个演示示例，因此我在这里使用了一个非常简单的模型，只有一个 LSTM 层，我根本没有尝试对其进行调整。我想通过更好地调整模型（例如调整层数、每层中的单元数、使用的激活函数、优化器类型和参数等），您可能会得到更好的结果。