Come creare una RNN da zero con PyTorch

Obiettivo

Proviamo a creare una Recurrent Neural Network (RNN) che, dato un carattere tra a,b,c,d, lo continui secondo il pattern: 'aaaaabbbbbccccacdddddaaaa'

Importiamo le librerie:

import torch 
import torch.nn as nn 
import torch.optim as optim

sequence = 'aaaaabbbbbccccacdddddaaaa'

• torch: il core di PyTorch, per operazioni tensoriali e autograd.
• torch.nn: modulo per costruire reti neurali in PyTorch.
• torch.optim: modulo per gli ottimizzatori, usato per aggiornare i pesi della rete durante l'addestramento.

Mappatura Caratteri-indici:

# Funzioni di utilità per convertire da carattere a intero e viceversa

chars = list(set(sequence))
char_to_ix = {ch: i for i, ch in enumerate(chars)} # {'b': 0, 's': 1, 'c': 2, 'd': 3, 'a': 4}
ix_to_char = {i: ch for i, ch in enumerate(chars)} # {0: 'b', 1: 's', 2: 'c', 3: 'd', 4: 'a'}

Questa porzione di codice va a creare due dizionari per convertire i caratteri in indici e viceversa.

Questo è utile per manipolare i caratteri in forma numerica, facilitando le operazioni matematiche sui dati. char_to_ix mappa ogni carattere unico a un indice intero univoco, e ix_to_char fa l'opposto.

Funzione di Conversione in One-Hot

Creiamo dei Tensori per codificare i caratteri sia di input che di addestramento in one-hot encodings:

def char_to_onehot(char):
   tensor = torch.zeros(len(chars))
   tensor[char_to_ix[char]] = 1
   return tensor

tensor([[0., 0., 0., 0., 1.],

        [0., 0., 0., 0., 1.],

        [0., 0., 0., 0., 1.],

Prepariamo l'input

Creiamo una lista di M (numero di CAMPIONI di training) x N (Numero di token nel vocabolario one-hot)

inputs = torch.stack([char_to_onehot(ch) for ch in sequence[:-1]])

Quello che fa questa riga di codice in breve è richiamare la funzione che converte gli elementi della sequenza in one-hot, prendere tutti gli elementi della sequenza meno l'ultimo carattere e convertirli quindi in one hot. Torch.stack

1. sequence[:-1]: Questo prende tutti i caratteri della sequenza tranne l'ultimo. Se la sequenza fosse "abcde", diventerebbe "abcd". Questo è perché si vuole prevedere il carattere successivo in ogni punto della sequenza, quindi l'ultimo carattere non può essere usato come input.
2. char_to_onehot(ch): Per ogni carattere nella sequenza troncata, questa funzione lo trasforma in un vettore "one-hot". Immagina di avere un alfabeto di solo 5 lettere (a, b, c, d, e). La lettera "a" potrebbe essere rappresentata come [1, 0, 0, 0, 0], la "b" come [0, 1, 0, 0, 0], e così via. Ogni carattere diventa un vettore dove un "1" indica quel carattere, e tutto il resto è "0".
3. torch.stack([...]): Dopo aver trasformato ogni carattere in un vettore one-hot, torch.stack mette tutti questi vettori uno sopra l'altro in un unico array (o tensore), creando una sorta di "lista di liste" ma in forma di tensore, che è il formato richiesto per lavorare con PyTorch. Tutti i tensori per essere concatenati in un'unico tensore devono avere la stessa dimensione.

Quando si usa CrossEntropyLoss di PyTorch, l'output atteso è l'indice della classe target, non la rappresentazione one-hot.

CrossEntropyLoss combina LogSoftmax e NLLLoss (Negative Log Likelihood Loss) in un'unica classe. Questa funzione si aspetta Logit non normalizzati come input (cioè, l'output grezzo del modello prima dell'applicazione di una funzione di attivazione come Softmax) e l'indice della classe come target. PyTorch gestisce internamente la conversione degli indici in una rappresentazione one-hot e l'applicazione della Softmax per calcolare la perdita, il che rende l'uso di CrossEntropyLoss più efficiente dal punto di vista computazionale rispetto al calcolo manuale di Softmax seguito da una funzione di perdita come NLLLoss su output one-hot.

targets = torch.tensor([char_to_ix[ch] for ch in sequence[1:]], dtype=torch.long)

tensor([4, 4, 4, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 1])

Inizializzazione dell'Architettura

   def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
       super(RNN, self).__init__()
       self.hidden_size = hidden_size

       # La funzione è:
       # torch.nn.RNN(self, input_size, hidden_size, num_layers=1, 
       # nonlinearity='tanh', bias=True, batch_first=False, dropout=0.0,
       # bidirectional=False, device=None, dtype=None)
       #
       # input size è la dimensione dell'input
       # hidden size la dimensione del layer "nascosto". Piu grande è più c'è 
       # spazio di apprendimento.
       #
       # batch first true se diamo l'input e outpur nella forma: (seq_len, batch_size, features)
       # batch first false se abbiamo l'input e output come (batch_size, seq_len, features)
       
       self.rnn = nn.RNN(input_size, hidden_size, batch_first=True)

       # Layer totalmente connesso
       self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

   def forward(self, x, hidden):
       # hidden lo aspettiamo sempre come (batch_size, seq_len, features) che in questo caso "unario"
       # è [1,1,hidden_size]
       #
       # X ce lo aspettiamo egualmente come (batch_size, seq_len, input_size) che diventa [1,1,one-hot-size]
       # nel caso di batch 1 e seq 1
       out, hidden = self.rnn(x, hidden)

       # passiamo direttamente a un layer totalmente connesso che darà in output i LOGIT
       # siccome per ogni sequenza (che qui è da "uno") vogliamo sempre prendere l'ultimo step 
       # facciamo quest'operazione di slicing.
       # ricordando che out ritorna il formato (batch_size, seq_len, output_size (onr-hot size)
       # out[:, -1, :] significa:
       # - : per ogni esempio nel batch (qui è da uno)
       # - prendi l'ultimo output emesso dalla RNN (-1)
       # - in tutte le sue componenti/faetures (: output vector size - one hot size)
       
       out = self.fc(out[:, -1, :])  

       # Out contiene ora i LOGIT in formato: (batch_size, output_size) 
       # ad esempio -0.3382,  0.2435, -0.4452,  0.4239,  0.1288
       return out, hidden

   def init_hidden(self):
       # hidden ha formato (batch_size, seq_len, dimensione hidden), qui (1,1,hidden)
       return torch.zeros(1, 1, self.hidden_size)