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eubinecto / k4ji_ai

4명의 김씨, 한명의 진씨, 한명의 임씨가 모여서 인공지능을 공부하고 있습니다.
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스터디:LSTM:11.4:LSTM 계층의 순전파와 역전파 처리 #11

Closed eubinecto closed 3 years ago

eubinecto commented 3 years ago

기울기 손실 & 폭주 문제의 해결

순전파 및 역전파 처리를 위한 파라미터 생성

LSTM 계층의 순전파 처리

LSTM 계층의 역전파 처리

eubinecto commented 3 years ago

기울기 손실 & 폭주 문제의 해결

순전파 및 역전파 처리를 위한 파라미터 생성

슬라이드
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4개의 장치가 공유하는 입력의 크기 설정: https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L17-L19 여기서 recur_size는 recurrent layer에 들어갈 recurrent neuron의 개수. 사용자로 부터 입력받는다.

ex_in_dim은 (아마도 short for extended input dimension) 같은 입력 (h_t-1concatx_t)를 공유하는 4개의 장치로 들어가게 될 입력의 크기를 말하는 것.

LSTM셀의 기본구조와 그것을 행렬로 표현한 수식을 다시 상기해보기:

슬라이드
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이때:

때문에:

임을 알 수 있다.

서로 독립된 구조의 퍼셉트론이지만, 하나의 가중치 행렬로 4개의 가중치 쌍을 저장한다. https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L20

입력을 공유하므로, 선형연산 (weighted sum)은 한번에 수행: https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L54-L55

비선형 활성화 함수 적용 시점에 각 장치별로 해당하는 가중치만 선택해서 출력한다: https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L57-L60

eubinecto commented 3 years ago

LSTM 계층의 순전파 처리

슬라이드
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기존의 순환벡터(h_t-1 -> h_t, "단기기억")에 상태벡터 (c_t-1 ->c_t, 장기기억)가 추가되었다:

forward_rnn_layer forward_lstm_layer
https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_10/rnn_basic_model.py#L42-L43 https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L46-L48
recurrent 벡터만 존재 (SOS이기 때문에 0으로 초기화) recurrent벡터와 함께, state 벡터도 같이 사용 (둘다 SOS이기 때문에 0으로 초기화)

전체적인 처리과정이 LSTM셀에 맞추어 변경되었다:

forward_rnn_layer에서 순전파 처리 forward_lstm_layer에서 순전파 처리
https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_10/rnn_basic_model.py#L45-L54 https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L50-L71

나머지 부분은 동일하지만, 각 시간대를 지나가면서 처리를 하는 부분이 다르다.

장기기억 벡터와 단기기억 벡터의 수식을 상기하면서 코드를 보면 이해가 잘된다: 벡터 & 코드
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https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L62-L63
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https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L65-L66
eubinecto commented 3 years ago

LSTM 계층의 역전파 처리

슬라이드
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손실 기울기값은 미래->과거, 역순으로 전달된다: https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L109

상태벡터를 출력값으로 쓴다/ 순환벡터를 출력값으로 쓴다, 손실 기울기 값이 달라지도록: https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L110-L113

4개의 장치에 대한 전체 손실 기울기를 하나의 행렬에 모아서: https://github.com/eubinecto/k4ji_ai/blob/e94a5d01fb0fb59a82e0a32e016356bbc9a75840/eb/src/chap_11/rnn_lstm_model.py#L129-L138

보다 더 상세한 역전파 설명은 다음의 블로그를 참조: