tensorflow中sequence_loss_by_example()函数的计算过程（结合TF的ptb构建语言模型例子）

实验

发布日期: 2018-10-15

文章字数: 2k

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注：由于tensorflow版本的不同，这个函数所在的模块可能不同，如：tf.nn.seq2seq.sequence_loss_by_example和tf.contrib.legacy_seq2seq.sequence_loss_by_example

在正式进入sequence_loss_by_example（）函数的计算过程之前，需要先复习下两个基本的知识点，softmax的计算和交叉熵的计算。

1 softmax的计算过程

可以直接网上已经写好的博客：三分钟带你对 Softmax 划重点，这篇文章中有举具体的例子，最好自己动手算一下，不自己动手计算，往往看了就忘了。

2 交叉熵的计算过程

交叉熵网上的文章也很多，一文搞懂交叉熵在机器学习中的使用，透彻理解交叉熵背后的直觉这篇文章讲得非常详细，还举了各种例子。

以上复习了softmax和交叉熵的计算过程，为啥要使用softmax和交叉熵，可以自行网上搜搜。接下来就进入sequence_loss_by_example（）函数的计算过程。

3 sequence_loss_by_example（）函数的计算过程（以TF的ptb构建语言模型例子为例）

注：例子中的batch_size=20，num_steps=20，为了更直观的查看各个数据的维度，我将num_steps改为了15.（因为本例是通过上一个词预测下一个词，其实num_steps改为多少并没有影响）。

（1）LSTM的输出

LSTM的隐藏层的单元个数为200，因此，LSTM每一步的输出数据的维度为（batch_size,hidden_size）。有因为LSTM展开的时间步数为num_steps，于是通过

outputs.append(cell_output)

将每一时刻的输出都收集起来，这样，最后的outputs是一个list，其样式为：
LSTM的全部输出
图中黄色的部分表示同一个序列在LSTM不同时刻的输出。
紧接着对outputs进行拼接和reshape，其过程如下图：
拼接输出
将每一时刻的输出在第1维上拼接（上图），这样每一行就完整的表示了一个序列。reshape后的结构如下图：
outputs的reshape结果
其中每一种颜色表示一个序列，同一种颜色中的各个块表示这个序列的不同时刻。
以上就是LSTM的输出，并对其适当变形。接下来通过一个全连接层，将每一时刻的输出映射成字典大小。

（2）通过全连接层

这部分就是常见的y=wx+b的构造形式，通过以下代码实现：

softmax_w = tf.get_variable( "softmax_w", [size, vocab_size], dtype=tf.float32)
softmax_b = tf.get_variable("softmax_b", [vocab_size], dtype=tf.float32)
 # 网络的最后输出(相当于最后添加了一个全连接层)
logits = tf.matmul(output, softmax_w) + softmax_b   # logits shape:batch_size*num_step,vocab_size

通过全连接层后，得到logits，其维度为（batch_sizenum_step,vocab_size），在本例中就是30010000（本例的词汇表大小是10000）。

（3）执行tf.contrib.legacy_seq2seq.sequence_loss_by_example函数

关于这个函数的定义，解释之类的，可以参考这个解释，小例子可以参考这个。前一篇博客的解释看得有些稀里糊涂的，后面就找了后面那个例子来跑跑，但是这两个都没有讲清楚内部是怎么计算的，后面我又参考了tensorflow的损失函数源代码，找到这个函数，可以看到这个函数在内部调用的是sparse_softmax_cross_entropy_with_logits()函数，好嘛，接下来就一步一步的来看整个计算过程。
首先来看输入的数据： logits和targets

logits数据的格式在前面已经介绍了，为（30010000）的矩阵，300为num_stepsbatch_size得到，10000为词汇表大小，这个数据表示的意思是：每一行表示一个时刻（对应一个预测的单词），每num_steps行对应一个序列，一共有batch_size个num_steps行（因为这是一个batch大小的数据）。
输出targets的维度可以看到其形状为（batch_size,num_steps）（即2015），表示的意思是，一个batch中有20条数据，而每一条数据有15个时间步，一个时间步对应一个单词。为了让预测的单词的顺序和targets中真实单词的顺序对应上，于是将targets的维度变成了（300，）（即：2015），这样一个元素对应logits中的一行，每15个数据就表示一个序列。

接下来，就将上面的输入以及权重w（通常设置为1）传入sequence_loss_by_example函数。下面是这个函数的实现代码：

def sequence_loss_by_example(logits, targets, weights,
                             average_across_timesteps=True,
                             softmax_loss_function=None, name=None):
#logits: List of 2D Tensors of shape [batch_size x num_decoder_symbols].
#targets: List of 1D batch-sized int32 Tensors of the same length as logits.
#weights: List of 1D batch-sized float-Tensors of the same length as logits.
#return:log_pers 形状是 [batch_size].
   for logit, target, weight in zip(logits, targets, weights):
      if softmax_loss_function is None:
        # TODO(irving,ebrevdo): This reshape is needed because
        # sequence_loss_by_example is called with scalars sometimes, which
        # violates our general scalar strictness policy.
        target = array_ops.reshape(target, [-1])
        crossent = nn_ops.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(
            logit, target)
      else:
        crossent = softmax_loss_function(logit, target)
      log_perp_list.append(crossent * weight)
    log_perps = math_ops.add_n(log_perp_list)
    if average_across_timesteps:
      total_size = math_ops.add_n(weights) 
      total_size += 1e-12  # Just to avoid division by 0 for all-0 weights.
      log_perps /= total_size
  return log_perps

可以看到函数内部主要是调用sparse_softmax_cross_entropy_with_logits函数，然后再加权平均后返回。
那么这个sparse_softmax_cross_entropy_with_logits函数是怎么计算的呢？这里有个小例子，可以看到他是将softmax和cross_entropy放在一起计算，这里就涉及到文章开头所复习得softmax和交叉熵的计算过程了。
于是，我们知道了，针对于一个logits元素和一个targets元素，比如这个例子中取logits[0]，其维度为（10000，），targets[0]，它就是单独的一个整型的数，表示单词在词汇表中的id号。先计算logits[0]中各个元素的相对概率（即计算softmax），然后利用交叉熵公式计算预测值和真实值之间的交叉熵。

这个函数直接使用标签数据的，而不是采用one-hot编码形式（另一个函数softmax_cross_entropy_with_logits必须是one-hot形式的数据，具体见softmax_cross_entropy_with_logits函数详解）

为了验证这个计算过程，我将这个例子中的logits[0]，targets[0]以及通过

loss = tf.contrib.legacy_seq2seq.sequence_loss_by_example(    # 这个函数先求解softmax，再求解交叉熵
        [logits],
        [tf.reshape(input_.targets, [-1])],
        [tf.ones([batch_size * num_steps], dtype=tf.float32)])

得到的loss（这里取loss[0]）取出，单独通过tf.nn.softmax以及交叉熵公式来依存计算这个过程。
首先来看下通过例子源代码取出的数据情况：

logits shape:
(10000,)
logits value:
[ 7.8470936   8.238499    8.979608   ... -0.73421586 -0.913356
 -0.7552418 ]
target value:
9971
loss value:
11.060587

自己计算的代码为：

import tensorflow as tf
# 将单词id转化为one-hot模式
target=list([0]*10000)
target[9971]=1
target=np.array(target)
# 转化为张量
logits=tf.convert_to_tensor(r['logits'],dtype=float)
y_=tf.convert_to_tensor(target,dtype=float)

# 法1，分开计算----------------------------------------------------
# 计算softmax
y=tf.nn.softmax(logits)
# 计算交叉熵
cross_entropy=-tf.reduce_sum(y_*tf.log(y))
# 法2，调用函数计算-------------------------------------------------
# 调用函数计算
cross_entropy2=tf.reduce_sum(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=logits,labels=y_))

with tf.Session() as sess:
    softmax=sess.run(y)
    c_e=sess.run(cross_entropy)
    c_e2=sess.run(cross_entropy2)
    print("softmax:\n",softmax)
    print("cross_entropy:\n",c_e)
    print("function:\n",c_e2)

运行结果为：

softmax:
 [5.8356632e-02 8.6312823e-02 1.8110682e-01 ... 1.0946491e-05 9.1511438e-06
 1.0718737e-05]
cross_entropy:
 11.060587
function:
 11.060587

可以看到，不管是分开计算还是调用函数计算，其结果和例子源代码中得到的结果相同。这就是sparse_softmax_cross_entropy_with_logits函数的计算过程，tf.contrib.legacy_seq2seq.sequence_loss_by_example函数的计算过程就是在其内部的每个时间步中调用sparse_softmax_cross_entropy_with_logits函数即可。

4 小结

本文通过tensorflow官方提供的基于LSTM的语言模型ptb_word_lm.py例子中的部分代码，对tf.contrib.legacy_seq2seq.sequence_loss_by_example函数的计算过程进行了简单的介绍，这其中的理论知识可以查看前文中链接到的哪些博文，这里只是纯介绍计算过程，因为这也是我最近遇到的问题。我也不知道有没有错，如果文中有写错或者理解错误的地方，请大家及时联系我纠正，谢谢！