D2L-40 序列模型
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本文介绍具有时间结构的序列数据，讨论自回归模型、隐变量自回归模型和马尔可夫假设，并通过时间序列预测代码比较不同预测方式。
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序列模型
- 实际中很多数据是有时序结构的
- 如电影的评分
- 音乐、语言、文本和视频都是连续的
- 股票的价格
- 人与人之间的互动
统计工具
- 在时间 \(t\) 观察到 \(x_t\)，那么得到 \(T\) 个不独立的随机变量 \((x_1,...,x_T)~p(\bf x)\)
- 使用条件概率展开（贝叶斯公式） \(p(a,b)=p(a)p(b\vert a)=p(b)p(a\vert b)\)
推广到这一系列事件同时发生的概率，换言之，前 \(T-1\) 个事件已经发生的条件下，第 \(T\) 个事件发生的概率：
正向：
\[p({\bf x})=p(x_1)\cdot p(x_2\vert x_1)\cdot p(x_3\vert x_1,x_2)\cdot ...\cdot p(x_T\vert x_1,...,x_{T-1})\]反向：
\[p({\bf x})=p(x_T)\cdot p(x_{T-1}\vert x_T)\cdot p(x_{T-2}\vert x_{T-1},x_T)\cdot ...\cdot p(x_1\vert x_{T-1},...,x_2)\]反向从未来推广到过去，并不完全有物理意义
对条件概率建模：
\[p(x_t\vert x_1,...,x_{t-1})=p(x_t\vert f(x_1,...,x_{t-1}))\]对见过的数据建模，也称自回归模型(Autoregressive Model)。
马尔科夫假设
假设当前数据只跟 \(\tau\) 个过去数据点相关
\[p(x_t\vert x_1,...,x_{t-1})=p(x_t\vert x_{t-\tau},...,x_{t-1})=p(x_t\vert f(x_{t-\tau},...,x_{t-1}))\]潜变量模型
引入潜变量 \(h_t\) 来表示过去信息 \(h_t=f(x_1,...,x_{t-1})\)
- 这样 \(x_t=p(x_t\vert h_t)\)
总结
- 在时序模型中，当前数据跟之前观察到的数据相关
- 自回归模型使用自身过去数据来预测未来
- 马尔可夫模型假设当前只跟最近少数数据相关
- 潜变量模型使用潜变量来概括历史信息
代码模拟马尔可夫算法
创建数据集
%matplotlib inline
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
T = 1000 # 总共产生1000个点
time = torch.arange(1, T + 1, dtype=torch.float32)
x = torch.sin(0.01 * time) + torch.normal(0, 0.2, (T,))
#torch.normal(mean, std, size)
d2l.plot(time, [x], 'time', 'x', xlim=[1, 1000], figsize=(6, 3))
tau = 4
features = torch.zeros((T - tau, tau))
#(996, 4)全零
for i in range(tau):
features[:, i] = x[i: T - tau + i]
#对每行的第i列赋值，996行
#按顺序把每四个点作为一个样本
#每次向前一个点
labels = x[tau:].reshape((-1, 1))
#预测点实值x(4:1000),转化为列向量
batch_size, n_train = 16, 600
#把前600个样本用于训练
train_iter = d2l.load_array((features[:n_train], labels[:n_train]),
batch_size, is_train=True) #x[599:603]
#Construct a PyTorch data iterator.
网络和训练
#定义MLP网络
def init_weights(m):
if type(m) == nn.Linear:
nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
def get_net():
net = nn.Sequential(nn.Linear(4, 10),
nn.ReLU(),
nn.Linear(10, 1))
net.apply(init_weights)
return net
loss = nn.MSELoss(reduction='none')
def train(net, train_iter, loss, epochs, lr):
trainer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr)
for epoch in range(epochs):
for X, y in train_iter:
trainer.zero_grad()
l = loss(net(X), y)
l.sum().backward()
trainer.step()
print(f'epoch {epoch + 1}, '
f'loss: {d2l.evaluate_loss(net, train_iter, loss):f}')
net = get_net()
train(net, train_iter, loss, 5, 0.01)
#在这里已经训练好了网络的权重，所以在后面直接调用就可以了
预测
onestep_preds = net(features)
#对整个样本进行预测
d2l.plot([time, time[tau:]],
[x.detach().numpy(), onestep_preds.detach().numpy()], 'time',
'x', legend=['data', '1-step preds'], xlim=[1, 1000],
figsize=(6, 3))
#分别对于实际和预测绘图
multistep_preds = torch.zeros(T)
multistep_preds[: n_train + tau] = x[: n_train + tau]
#(0:604)
for i in range(n_train + tau, T):
#(604,1000)
multistep_preds[i] = net(
multistep_preds[i - tau:i].reshape((1, -1)))
#[600,604]用于预测604并赋值
#实际上前599个并没有起作用
#从前603个预测后面的396个
#所以很离谱
d2l.plot([time, time[tau:], time[n_train + tau:]],
[x.detach().numpy(), onestep_preds.detach().numpy(),
multistep_preds[n_train + tau:].detach().numpy()], 'time',
'x', legend=['data', '1-step preds', 'multistep preds'],
xlim=[1, 1000], figsize=(6, 3))
max_steps = 64
features = torch.zeros((T - tau - max_steps + 1, tau + max_steps))
#(993, tau+max_steps)
for i in range(tau):
features[:, i] = x[i: i + T - tau - max_steps + 1]
#给前tau个赋值
for i in range(tau, tau + max_steps):
features[:, i] = net(features[:, i - tau:i]).reshape(-1)
#预测后max_steps个
steps = (1, 4, 16, 64)
d2l.plot([time[tau + i - 1: T - max_steps + i] for i in steps],
[features[:, (tau + i - 1)].detach().numpy() for i in steps], 'time', 'x',
legend=[f'{i}-step preds' for i in steps], xlim=[5, 1000],
figsize=(6, 3))
# steps = 1
# time[4: 937]
# features[:, 4] 画每行第五个元素
# steps = 4
# time[7: 937]
# features[:, 7] 画每行第八个元素，或者说5-8个元素是预测出来的，只选择第8个
#实际上这个算法的底层逻辑都是用前4个预测第5个，然后依次类推，直到max_step处
#画图是为了把第step处的预测表示出来
#也就是表示出预测到不同位置的拟合程度
一点感悟
逻辑比代码本身更重要。
体现在代码里，就是通过简单的切片代替复杂的循环，实现想要达到的效果，这非常了不起。