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TensorFlow2 Python深度学习 - 循环神经网络（LSTM）示例

news 2025/10/21 14:28:01

锋哥原创的TensorFlow2 Python深度学习视频教程：

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课程介绍

本课程主要讲解基于TensorFlow2的Python深度学习知识，包括深度学习概述，TensorFlow2框架入门知识，以及卷积神经网络（CNN），循环神经网络（RNN），生成对抗网络（GAN），模型保存与加载等。

TensorFlow2 Python深度学习 - 循环神经网络（LSTM）示例

LSTM（长短期记忆网络，Long Short-Term Memory）是一种特殊类型的循环神经网络（RNN），用于处理和预测序列数据。它能够有效地解决标准RNN在长期依赖问题中的缺点，如梯度消失和梯度爆炸问题。LSTM的关键在于其特殊的结构，其中包括了三个“门”机制：输入门、遗忘门和输出门，这些门控制信息流的进入、遗忘和输出，允许模型更好地捕捉和保持长期的依赖关系。

LSTM的基本结构

LSTM单元的结构包括以下几部分：

输入门（Input Gate）：决定哪些新信息被写入到单元状态。
遗忘门（Forget Gate）：决定哪些信息会从单元状态中丢弃或保留。
输出门（Output Gate）：决定哪些信息将用于输出。

tf.keras.layers.LSTM(units,activation='tanh',recurrent_activation='sigmoid',use_bias=True,kernel_initializer='glorot_uniform',recurrent_initializer='orthogonal',bias_initializer='zeros',unit_forget_bias=True,dropout=0.0,recurrent_dropout=0.0,return_sequences=False,return_state=False,go_backwards=False,stateful=False,time_major=False,unroll=False,**kwargs
)

核心参数：

units - 最重要的参数

作用：定义LSTM层中记忆单元的数量
通俗理解：LSTM的"脑容量"或"记忆力大小"
影响：值越大，模型表达能力越强，但计算复杂度越高
建议范围：32-1024，根据任务复杂度选择

return_sequences - 输出控制

作用：控制是否返回所有时间步的输出
默认值：False（只返回最后一个时间步的输出）
使用场景：
- False：用于分类、情感分析等只需要最终结果的场景
- True：用于序列标注、机器翻译等需要每个时间步输出的场景

dropout 和 recurrent_dropout - 正则化参数

dropout：输入单元的丢弃率，防止过拟合
recurrent_dropout：循环连接的丢弃率，防止循环过拟合
建议值：0.2-0.5，根据数据量和模型复杂度调整

activation 和 recurrent_activation - 激活函数

activation：主要计算的激活函数，默认'tanh'
recurrent_activation：门控单元的激活函数，默认'sigmoid'

return_state - 状态返回

作用：是否返回LSTM的隐藏状态和细胞状态
使用场景：编码器-解码器结构、状态传递等高级应用

stateful - 状态保持

作用：批次间是否保持LSTM状态
使用场景：处理超长序列需要分批时保持状态连续性

unroll - 展开计算

作用：是否将RNN展开为前馈网络
优点：加速训练（适合短序列）
缺点：内存消耗大（不适合长序列）

示例：

import tensorflow as tf
from keras import Input, layers
from keras.src.utils import pad_sequences

# 1. 加载 IMDB 数据集
max_features = 10000  # 使用词汇表中前 10000 个常见单词
maxlen = 100  # 每条评论的最大长度

(x_train, y_train), (x_test, y_test) = tf.keras.datasets.imdb.load_data(num_words=max_features)
print(x_train.shape, x_test.shape)
print(x_train[0])
print(y_train)

# 2. 数据预处理：对每条评论进行填充，使其长度统一
x_train = pad_sequences(x_train, maxlen=maxlen)
x_test = pad_sequences(x_test, maxlen=maxlen)

# 3. 构建 RNN 模型
model = tf.keras.models.Sequential([Input(shape=(maxlen,)),layers.Embedding(input_dim=max_features, output_dim=128),  # 嵌入层，将单词索引映射为向量 output_dim  嵌入向量的维度（即每个输入词的嵌入表示的长度）layers.LSTM(units=64, dropout=0.2, recurrent_dropout=0.2),# LSTM 层：包含 64 个神经元，激活函数默认使用 tanh  dropout表示在每个时间步上丢弃20% recurrent_dropout 递归状态（即隐藏状态）的dropout比率为20%layers.Dense(1, activation='sigmoid')  # 输出层：用于二分类（正面或负面），激活函数为 sigmoid
])

# 4. 模型编译
model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# 5. 模型训练
history = model.fit(x_train, y_train, epochs=5, validation_data=(x_test, y_test), verbose=1)

# 6. 模型评估
test_loss, test_acc = model.evaluate(x_test, y_test)
print(f"Test accuracy: {test_acc}")

运行结果：