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【python】keras包：深度学习（ RNN循环神经网络 Recurrent Neural Networks）

news 2025/8/9 16:20:43

RNN循环神经网络

应用：

物体移动位置预测、股价预测、序列文本生成、语言翻译、从语句中自动识别人名、
问题总结 这类问题，都需要通过历史数据，对未来数据进行预判

序列模型

两大特点

输入（输出）元素具有顺序关系，有前后关系
输入输出不定长。如：文章生成、聊天机器人

简单理解

在这里插入图片描述
以人名识别为例

常见结构

多输入单输出结构

eg. 自然语言文字的情感识别
输入：语句（文字为多个输入信息）
输出：情感判断（是积极的还是消极的）

单输入多输出结构

eg. （序列数据生成器）根据关键词生成文章、音乐等
输入：关键词（单维信息）
输出：文章（多元信息）

多输入多输出结构

eg. 语言翻译
输入：中文（n维数据）
输出：英文（m维数据）

普通RNN模型

越新的信息对结果的影响占比越大，越旧的信息对结果的影响占比越小
缺陷：可能导致重要的旧信息丢失（图中蓝色在y中的占比即表示旧信息在结果中的影响占比）
在这里插入图片描述

长短期记忆网络（LSTM）

算法逻辑：增加记忆细胞 C[i]，以记忆重要信息
在这里插入图片描述

双向循环神经网络（BRNN)

简单理解 : 普通循环神经网络，只根据上文推测下文；双向循环神经网络，则是根据上文和下文来推测当前片段。

深层循环神经网络（DRNN）

简单理解 单层RNN+MLP，实现更好的拟合效果

实战一：RNN实现股价预测

算法效果

给定（数据-时间轴）数据集，
设定Input_shape = (samples, time_steps, features) ,
sample表示样本数量（默认为：根据输入数据自动计算）
time_steps表示每次用前time_steps个数据预测下一个数据
features 表示样本的特征维数
生成预测曲线

算法流程：

Step 1. 数据载入与预处理
序列切断：按time_steps的长度，对被预测数据进行切断

# 数据切断函数
import numpy as np
def extract_data(data,time_step):x=[] #前time_step个时间点的数据y=[] #当前被预测时间点的数据for i in range(len(data)-time_step):x.append( [a for a in data[i:i+time_step] ] )y.append( data[i+time_step] )x = np.array(x)x = x.reshape(x.shape[0],x.shape[1],1)y = np.array(y)return x,y
time_step = int(input("输入参考时间区间的长度："))
x,y = extract_data(price_norm,time_step)
#print(x.shape)

Step 2. 建立RNN模型

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense,SimpleRNN
#顺序模型
model = Sequential()
#RNN层
model.add( SimpleRNN(units=5, #神经元个数input_shape = (time_step,1),# 输入格式：以前time_step为根据，预测当前位置# 数据维数为 1activation = 'relu',#  激活函数用relu)
)
#输出层
model.add(Dense(units=1,activation='linear'))
#参数设置
model.compile(optimizer='adam', loss='mean_squared_error', #平方差metrics=['accuracy'] #这个模型看accuracy没有意义
)
model.summary()

Step 3. 预测

pred_y_train = model.predict(x) * max(price) #逆归一化
y_train = y*max(price)
#训练数据-预测训练数据预览
from matplotlib import pyplot as plt
fig1 = plt.figure(figsize=(8,5))
truth, = plt.plot(y_train)
pred, = plt.plot(pred_y_train)
plt.title('close price')
plt.xlabel('date')
plt.ylabel('price')
plt.legend( (pred,truth), ('pred_line','true_line'))
plt.show()