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AI/자연어처리

11. LSTM과 GRU

by 사라리24 2024. 7. 2.
SMALL

1. RNN

 

 

import


       
          import torch
          import torch.nn as nn
          import torch.optim as optim
          import numpy as np
          from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
          from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
          from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
          from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
          from sklearn.model_selection import train_test_split
          from sklearn.metrics import accuracy_score


 

 

 

sklearn.datasets.fetch_20newsgroups를 사용하여 데이터 가져오기


       

          newsgroups_data = fetch_20newsgroups(subset='all')
          texts, labels = newsgroups_data.data, newsgroups_data.target


texts



label
array([10,  3, 17, ...,  3,  1,  7])

 

 

 

데이터를 학습: 80%, 테스트: 20% 로 나누기



 
          label_encoder = LabelEncoder()
          labels = label_encoder.fit_transform(labels)

          X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(texts, labels, test_size=0.2, random_state=2024)

          # 나눠진 데이터셋의 크기 확인
          print(f"훈련 데이터셋 크기: {len(X_train)}")
          print(f"검증 데이터셋 크기: {len(y_train)}")


 

 

 

테스트 데이터를 CountVectorizer를 사용하여 벡터화


       
        # 테스트 데이터를 벡터화
        # r=r'\b\w+\b'
        # r: \해석하지 않게 함
        # \b: 단어의 시작 또는 끝을 의미
        # \w: 단어의 문자를 의미
        vectorizer = CountVectorizer(max_features=1000, token_pattern=r'\b\w+\b')
        X_train = vectorizer.fit_transform(X_train).toarray()
        X_test = vectorizer.transform(X_test).toarray()


 

 

 

 파이토치 텐서로 변환


       
 
        # 파이토치 텐서로 변환
        X_train_tensor = torch.tensor(X_train, dtype=torch.float32)
        X_test_tensor = torch.tensor(X_test, dtype=torch.float32)
        y_train_tensor = torch.tensor(y_train, dtype=torch.long)
        y_test_tensor = torch.tensor(y_test, dtype=torch.long)

 

 

 

데이터셋 클래스 정의


       
        # 데이터셋 클래스 정의
        class NewsGroupDataset(Dataset):
            def __init__(self, X, y):
                self.X = X
                self.y = y

            def __len__(self):
                return len(self.X)

            def __getitem__(self, idx):
                return self.X[idx], self.y[idx]


 

 

 


      
        train_dataset = NewsGroupDataset(X_train_tensor, y_train_tensor)
        test_dataset = NewsGroupDataset(X_test_tensor, y_test_tensor)

        len(train_dataset)

        train_dataset[0]


15076
------------------------------------------------------------
(tensor([0., 0., 0.,  ..., 0., 0., 0.]), tensor(11))

 


데이터 로더 생성


       
 
        train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
        test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

 

 

RNN 모델 만들기



         
# RNN 모델
          class RNNModel(nn.Module):
              def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size, num_layers=1):
                  super(RNNModel, self).__init__()
                  self.hidden_size = hidden_size
                  self.rnn = nn.RNN(input_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True)
                  self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

              def forward(self, x):
                  h = torch.zeros(1, x.size(0), self.hidden_size).to(x.device)
                  out, _ = self.rnn(x, h)
                  out = self.fc(out[:, -1, :])
                  return out

          input_size = 10000
          hidden_size = 128
          output_size = len(label_encoder.classes_)
          num_layers = 1

          model = RNNModel(input_size, hidden_size, output_size, num_layers)
          model = model.to('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
       
 

 
 

 

 

 학습


     
         # 학습
        loss_fun = nn.CrossEntropyLoss()
        optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
        num_epochs = 10

        for epoch in range(num_epochs):
            model.train()
            for X_batch, y_batch in train_loader:
                X_batch = X_batch.unsqueeze(1)
                # X_batch, y_batch = X_batch.to(model.device), y_batch.to(model.device)
                outputs = model(X_batch)
                loss = loss_fun(outputs, y_batch)

                optimizer.zero_grad()
                loss.backward()
                optimizer.step()
            print(f'Epoch: {epoch+1}/{num_epochs}, Loss: {loss.item():.4f}')


 
Epoch: 1/10, Loss: 0.5859
Epoch: 2/10, Loss: 0.2082
Epoch: 3/10, Loss: 0.0576
Epoch: 4/10, Loss: 0.0193
Epoch: 5/10, Loss: 0.0186
Epoch: 6/10, Loss: 0.0040
Epoch: 7/10, Loss: 0.0042
Epoch: 8/10, Loss: 0.0135
Epoch: 9/10, Loss: 0.0040
Epoch: 10/10, Loss: 0.0012

 

 모델 평가


       
        model.eval()
        y_test, y_pred = [], []

        with torch.no_grad():
            for X_batch, y_batch in test_loader:
                X_batch = X_batch.unsqueeze(1)
                outputs = model(X_batch)
                _, pred = torch.max(outputs, 1)
                y_test.extend(y_batch.detach().numpy())
                y_pred.extend(pred.detach().numpy())

        accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
        print(f'accuracy: {accuracy:.4f}')

 
accuracy: 0.8984

 

 

2. LSTM(Long Short-Term Memory)

* 바닐라 RNN은 시퀀스 데이터를 처리할 때 시간이 지남에 따라 정보가 소실되거나 기울기가 소실되는 문제 발생
* 순환 신경망(RNN)의 한 종류로, 긴 시퀀스 데이터를 효과적으로 학습할 수 있도록 고안된 
- 참고 : https://wikidocs.net/22888

 

08-02 장단기 메모리(Long Short-Term Memory, LSTM)

바닐라 아이스크림이 가장 기본적인 맛을 가진 아이스크림인 것처럼, 앞서 배운 RNN을 가장 단순한 형태의 RNN이라고 하여 바닐라 RNN(Vanilla RNN)이라고 합니다. (…

wikidocs.net

 

 

 

1. LSTM의 구조

  • 입력 게이트: 현재 입력값과 이전의 은닉 상태를 사용하여 어떤 정보를 새롭게 저장할지 결정
  • 망각 게이트: 현재 입력값과 이전의 은닉 상태를 사용하여 잊을지 결정
  • 출력 게이트: 현재 입력값과 이전의 은닉 상태를 사용하여 다음 은닉 상태를 결정
  • 셀 상태: 정보가 직접 흐르는 경로로, 정보가 소실되지 않도록 함구조

 


  

          

            import torch
            import torch.nn as nn
            import torch.optim as optim
            import numpy as np
            from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
            from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
            from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
            from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
            from sklearn.model_selection import train_test_split
            from sklearn.metrics import accuracy_score

            newsgroups_data = fetch_20newsgroups(subset='all')
            texts, labels = newsgroups_data.data, newsgroups_data.target

            label_encoder = LabelEncoder()
            labels = label_encoder.fit_transform(labels)

            X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(texts, labels, test_size=0.2, random_state=2024)

            vectorizer = CountVectorizer(max_features=10000, token_pattern=r'\b\w+\b')
            X_train = vectorizer.fit_transform(X_train).toarray()
            X_test = vectorizer.transform(X_test).toarray()

            X_train_tensor = torch.tensor(X_train, dtype=torch.float32)
            X_test_tensor = torch.tensor(X_test, dtype=torch.float32)
            y_train_tensor = torch.tensor(y_train, dtype=torch.long)
            y_test_tensor = torch.tensor(y_test, dtype=torch.long)

            class NewsGroupDataset(Dataset):
                def __init__(self, X, y):
                    self.X = X
                    self.y = y

                def __len__(self):
                    return len(self.X)

                def __getitem__(self, idx):
                    return self.X[idx], self.y[idx]

            train_dataset = NewsGroupDataset(X_train_tensor, y_train_tensor)
            test_dataset = NewsGroupDataset(X_test_tensor, y_test_tensor)

            train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
            test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

            class LSTMModel(nn.Module):
                def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size, num_layers=1):
                    super(LSTMModel, self).__init__()
                    self.hidden_size = hidden_size
                    self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True)
                    self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

                def forward(self, x):
                    h = torch.zeros(1, x.size(0), self.hidden_size).to(x.device)
                    c = torch.zeros(1, x.size(0), self.hidden_size).to(x.device)
                    out, _ = self.lstm(x, (h, c))
                    out = self.fc(out[:, -1, :])
                    return out

            input_size = 10000
            hidden_size = 128
            output_size = len(label_encoder.classes_)
            num_layers = 1

            model = LSTMModel(input_size, hidden_size, output_size, num_layers)
            model = model.to('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

            loss_fun = nn.CrossEntropyLoss()
            optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

            num_epochs = 10

            for epoch in range(num_epochs):
                model.train()
                for X_batch, y_batch in train_loader:
                    X_batch = X_batch.unsqueeze(1)
                    # X_batch, y_batch = X_batch.to(model.device), y_batch.to(model.device)
                    outputs = model(X_batch)
                    loss = loss_fun(outputs, y_batch)

                    optimizer.zero_grad()
                    loss.backward()
                    optimizer.step()
                print(f'Epoch: {epoch+1}/{num_epochs}, Loss: {loss.item():.4f}')


            model.eval()
            y_test, y_pred = [], []

            with torch.no_grad():
                for X_batch, y_batch in test_loader:
                    X_batch = X_batch.unsqueeze(1)
                    outputs = model(X_batch)
                    _, pred = torch.max(outputs, 1)
                    y_test.extend(y_batch.detach().numpy())
                    y_pred.extend(pred.detach().numpy())

            accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
            print(f'accuracy: {accuracy:.4f}')



Epoch: 1/10, Loss: 0.5154
Epoch: 2/10, Loss: 0.1622
Epoch: 3/10, Loss: 0.0408
Epoch: 4/10, Loss: 0.0124
Epoch: 5/10, Loss: 0.0042
Epoch: 6/10, Loss: 0.0155
Epoch: 7/10, Loss: 0.0037
Epoch: 8/10, Loss: 0.0028
Epoch: 9/10, Loss: 0.0050
Epoch: 10/10, Loss: 0.0019
accuracy: 0.9040

 

 

 

 

 

 

 

 

3. GRU(Gated Reccurrent Unit)


- LSTM과 유사하지만 구조가 더 간단한 RNN의 한 종류
- LSTM과 달리 셀 상태(cell state)를 가지지 않으며, 업데이트 게이트와 리셋 게이트를 사용하여 정보를 처리
* 참고: https://wikidocs.net/22889

 

08-03 게이트 순환 유닛(Gated Recurrent Unit, GRU)

GRU(Gated Recurrent Unit)는 2014년 뉴욕대학교 조경현 교수님이 집필한 논문에서 제안되었습니다. GRU는 LSTM의 장기 의존성 문제에 대한 해결책을 유지하…

wikidocs.net

 

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            import torch
            import torch.nn as nn
            import torch.optim as optim
            import numpy as np
            from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
            from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
            from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
            from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
            from sklearn.model_selection import train_test_split
            from sklearn.metrics import accuracy_score

            newsgroups_data = fetch_20newsgroups(subset='all')
            texts, labels = newsgroups_data.data, newsgroups_data.target

            label_encoder = LabelEncoder()
            labels = label_encoder.fit_transform(labels)

            X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(texts, labels, test_size=0.2, random_state=2024)

            vectorizer = CountVectorizer(max_features=10000, token_pattern=r'\b\w+\b')
            X_train = vectorizer.fit_transform(X_train).toarray()
            X_test = vectorizer.transform(X_test).toarray()

            X_train_tensor = torch.tensor(X_train, dtype=torch.float32)
            X_test_tensor = torch.tensor(X_test, dtype=torch.float32)
            y_train_tensor = torch.tensor(y_train, dtype=torch.long)
            y_test_tensor = torch.tensor(y_test, dtype=torch.long)

            class NewsGroupDataset(Dataset):
                def __init__(self, X, y):
                    self.X = X
                    self.y = y

                def __len__(self):
                    return len(self.X)

                def __getitem__(self, idx):
                    return self.X[idx], self.y[idx]

            train_dataset = NewsGroupDataset(X_train_tensor, y_train_tensor)
            test_dataset = NewsGroupDataset(X_test_tensor, y_test_tensor)

            train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
            test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

            class GRUModel(nn.Module):
                def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size, num_layers=1):
                    super(GRUModel, self).__init__()
                    self.hidden_size = hidden_size
                    self.gru = nn.GRU(input_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True)
                    self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

                def forward(self, x):
                    h = torch.zeros(1, x.size(0), self.hidden_size).to(x.device)
                    out, _ = self.gru(x, h)
                    out = self.fc(out[:, -1, :])
                    return out

            input_size = 10000
            hidden_size = 128
            output_size = len(label_encoder.classes_)
            num_layers = 1

            model = GRUModel(input_size, hidden_size, output_size, num_layers)
            model = model.to('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

            loss_fun = nn.CrossEntropyLoss()
            optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

            num_epochs = 10

            for epoch in range(num_epochs):
                model.train()
                for X_batch, y_batch in train_loader:
                    X_batch = X_batch.unsqueeze(1)
                    # X_batch, y_batch = X_batch.to(model.device), y_batch.to(model.device)
                    outputs = model(X_batch)
                    loss = loss_fun(outputs, y_batch)

                    optimizer.zero_grad()
                    loss.backward()
                    optimizer.step()
                print(f'Epoch: {epoch+1}/{num_epochs}, Loss: {loss.item():.4f}')


            model.eval()
            y_test, y_pred = [], []

            with torch.no_grad():
                for X_batch, y_batch in test_loader:
                    X_batch = X_batch.unsqueeze(1)
                    outputs = model(X_batch)
                    _, pred = torch.max(outputs, 1)
                    y_test.extend(y_batch.detach().numpy())
                    y_pred.extend(pred.detach().numpy())

            accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
            print(f'accuracy: {accuracy:.4f}')





Epoch: 1/10, Loss: 0.4873
Epoch: 2/10, Loss: 0.2774
Epoch: 3/10, Loss: 0.1635
Epoch: 4/10, Loss: 0.0073
Epoch: 5/10, Loss: 0.0141
Epoch: 6/10, Loss: 0.0086
Epoch: 7/10, Loss: 0.0077
Epoch: 8/10, Loss: 0.0026
Epoch: 9/10, Loss: 0.0062
Epoch: 10/10, Loss: 0.0022
accuracy: 0.9027

 

 

 

4. LSTM vs GRU


- LSTM 과 GRU는 RNN의 기울기 소실 단점을 해결하기 위해 고안
- 게이트 메커니즘을 사용하여 중요한 정보를 유지하고 불필요한 정보를 제거
- 긴 시퀀스를 효과적으로 처리할 수 있어서 많은 자연어 처리 작업에서 사용

 

LSTM

GRU

  • 게이트 수 : 3개 (입력, 망각, 출력)
  • 셀 상태를 유지
  • 구조가 복잡함
  • 매개변수가 GRU보다 많음
  • 훈련시간이 GRU보다 오래 걸림
  • 게이트 수 : 2개 (업데이트, 리셋)
  • 셀 상태가 없음
  • 구조가 단순함
  • 매개변수가 LSTM보다 작음
  • 훈련시간이 LSTM 보다 적게 걸림

 

 

@ 과제 1 :  네이버 쇼핑 리뷰 감성 분류하기

모델은 LSTM 또는 GRU를 사용하고, 파이토치를 이용해서 만들기 
: https://wikidocs.net/94600

 

10-07 네이버 쇼핑 리뷰 감성 분류하기(Naver Shopping Review Sentiment Analysis)

## 1. Colab에 Mecab 설치 여기서는 형태소 분석기 Mecab을 사용합니다. 저자의 경우 Mecab을 편하게 사용하기 위해서 구글의 Colab을 사용하였습니다. 참고…

wikidocs.net

 

 

@ 과제 2 : 논문리뷰


Sequence to Sequence Learning with Neural Networks: https://arxiv.org/abs/1409.3215
Neural Machine Translation by Jointly Learning to Align and Translate : https://arxiv.org/abs/1409.0473
Effective Approaches to Attention-based Neural Machine Translation: https://arxiv.org/abs/1508.04025

 

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