DeepLearning之LSTM模型输入数据：白话降维解说

《 Dianchen666’s Deep Learning 学习笔记系列 ---- 小白角度看深度学习》

有导航，不迷路。

(1). DeepLearning之LSTM模型输入参数：time_step, input_size, batch_size的理解

(2). DeepLearning之LSTM模型输入数据：白话降维解说

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本文摘要：

1. 对于LSTM的输入参数的理解的应用。

2. LSTM模型真正的输入数据是什么样的？

3. 通过LSTM的输入数据实例的讲解，更好的理解循环神经网络的输入数据。

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1. LSTM的基本介绍

1. 上次讲到了LSTM模型的输入参数的理解，这一篇讲讲我对LSTM以及循环网络模型的输入数据的理解。
2. LSTM是循环神经网络的一个变种，加入了多个门来控制每个神经细胞的状态
3. 细胞的状态对于整个模型是非常重要的，训练模型主要是更新每个细胞的输入参数，转态参数，输入的参数，让每个细胞处于一个稳定的状态
4. 输入的数据的一般是time_step, input_size, batch_size，这三个输入参数的定义我已经在上一篇博文中谈了谈我的理解
5. 受一位博友启发，但是我发现好像没有博文对输入数据到底是什么样的，讲的非常的清晰透彻、清楚。
6. 本文尝试从非常白话的角度，来谈谈我对输入数据模样的理解。
7. 如有不对，还请多批评指正。

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2. 基础参数理解

1. 输入数据主要是三个参数，time_step, input_size, batch_size
2. 借某位博友的启发，引用一下它的话：“batch_size是指有多少组序列数据，而time_step是指每组序列数据中有多少个时刻”
3. input_size 最好理解，就是输入的数据有几个自变量，就是有几个X
4. iteration与batchsize是有乘法关系的，3000条数据，100iteration，那么batchsize就是30。也就是Total sample = iteration（n）*batchsize
5. batch_size就是我们常说的批处理的数据量
6. epoch=10就是进行10*100个iteration来对模型进行训练

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3. 各参数确定的次序

1. 首先应该确定的是由几个自变量，就是有几个X，由几个变量来预测另外一个y
2. 第2个应该确定的是time_step，就是确定你进行训练其中一次的有多少个时刻，这个time_step就应该是多少，换句话说就是你预测的这个y和之前的多少个时刻有关系，这样来确定。
3. 第3个就是batch_size, 原理上将batch_size可能会影响你的训练速度，因为它的定义是批大小，是一次训练所选取的样本数，为了在内存效率与内存容量之间寻找平衡，白话就是提高你的训练效率。
4. batch_size和time_step本身没有关系，但是time_step的长短和input_size的多少会影响每一个iteration训练的速度。

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3. 示意图

1.还是用一个excel的数据表来进行举例

2.时间是从2020年6月1日-6月30日，x1,x2,x3,x4,x5说明是有5个自变量，也就是Inputsize=5，y为要预测的值。

3.此时确定timestep的值，就是你预测的这个Y值是之前的几个时刻有关系，比如上图要预测的y值使用前5天的数据来进行预测，那么time_step=5，此时将上述的数据按照time_step的大小进行重构。

4.通过time_step参数对数据进行重构后，会产生新的数据组，组数=total_sample - time_step + 1，如下图：26组=total(30) - time_step(5) +1，每组数据都有5个时刻t

4.其中包含5个时刻数据的这一组数据称为输入数据的一个batch，而batch_size就是每一次feed数据有多少组这样的数据。batch(26) = total(30) - time_step(5) +1

5.再把每一个batch的数据剖开，看看每一个batch的数据是什么样的。

6.下图为一个粗糙的示意图。讲述了在一个Batch中数据是如何进行运转的。

7.在batch1 中，T1时刻的数据分为X变量与Y变量，在T1时刻X与Y数据被同时输入到LSTM中，通过各种门的计算，输出了一个细胞状态Ct1与Ht1，这个两个变量会作为输入变量到下一个时刻的计算当中。

8.到T2时，T1时刻输出的Ct1与Ht1与T2时刻的X变量（x1x2x3x4x5）输入到LSTM模型中，通过各种门的计算，最后得到Ct2与Ht2，在输入到下一时刻，直到整个batch结束。

9. 一个batch中会循环计算time_step次。
   
   10.上图中，红色直线代表是的细胞状态变量的转移
   红色曲线代表的是目标值也就是Ht变量的转移。

11.在执行一个batch结束后，再执行下一个batch，batchsize=30就是1个iteration中执行了30个这样的batch，在一次feed数据中。

12.重构后的batch的个数，自己定义size的大小。上图中的所有数据重构后，变成了26个batch，你可以将batchsize设置为5，设置为10，设置为20。

13.无论batchsize设置为多少，每一组数据都是按照顺序进入到模型中进行训练。

4. 总结

1. 那么batchsize主要影响模型的什么？主要是影响模型的泛化性能，就是模型在训练之后对于test数据预测的准确性。
2. 一般来说：越大大的batchsize，会减少模型训练所需要的时间，提高模型的稳定性
3. 在合适的范围内，增大batchsize，有助于收敛的稳定性，但是再随着batchsize的增加，模型的性能会下降（泛化性能）
4. 总结来说：batchsize在变得很大(超过一个临界点)时，会降低模型的泛化能力。

下一篇说说学习率与batchsiz对模型性能的影响。

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参考链接，尊重原创，支持原创！

1. 作者：ch206265, 文章：LSTM中的batch到底是什么, https://blog.csdn.net/ch206265/article/details/107088040
2. 作者：言有三，学习率和batchsize如何影响模型的性能？