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--- clase:iabd:pia:2eval:tema10 [2021/07/24 10:01]
admin creado
+++ clase:iabd:pia:2eval:tema10 [2025/01/06 11:22] (actual)
admin [Ejemplo]
@@ Línea 1: / Línea 1: @@
-====== Redes Neuronales Recurrentes ======
+====== 10. Redes Neuronales Recurrentes ======
+Las redes neuronales recurrentes son redes neuronales que dependen de los datos anteriores, es decir que tienen "memoria".
+Por ejemplo, al predecir si una foto es un tipo de flor, no depende de lo que se haya predecido antes pero en una red neuronal si.
+Son redes que predicen secuencias de datos como por ejemplo series de temperatura, o cotizaciones de bolsa, etc:
+  * Procesamiento de lenguaje natural (NLP):
+    * Traducción automática: Las RNN se emplean para traducir texto de un idioma a otro, dado que las traducciones requieren una comprensión contextual de las secuencias de palabras.
+    * Generación de texto: Pueden generar texto, completando frases o creando contenido basado en ejemplos previos, como en los modelos de lenguaje.
+    * Análisis de sentimiento: Se utilizan para determinar si un texto tiene un sentimiento positivo, negativo o neutral.
+  * Reconocimiento de voz:
+    * Las RNN son comunes en los sistemas de reconocimiento automático de voz (ASR), donde deben entender las secuencias temporales de las ondas sonoras para convertirlas en texto.
+  * Generación de música:
+    * Se usan para generar música en formato MIDI, ya que las composiciones musicales tienen una estructura secuencial y temporal, similar al lenguaje.
+  * Análisis de series temporales:
+    * Predicción de la bolsa de valores: Se pueden emplear para predecir precios de acciones basados en datos históricos.
+    * Pronóstico meteorológico: Utilizan series temporales de datos climáticos para prever el clima futuro.
+    * Detección de anomalías: En sistemas de monitoreo de sensores, las RNN pueden identificar patrones inusuales en las series temporales.
+  * Modelado de secuencias de video:
+    * En aplicaciones de visión por computadora, las RNN pueden analizar secuencias de fotogramas para realizar tareas como la reconocimiento de acciones o segmentación de video.
+  * Robótica:
+    * Se usan para controlar robots en tareas que requieren la interpretación de secuencias temporales, como la navegación o el seguimiento de trayectorias en tiempo real.
+  * Diagnóstico médico:
+    * Análisis de secuencias de ECG o datos de sensores para detectar patrones relacionados con enfermedades o eventos de salud.
+  * Sistemas de recomendación:
+    * Pueden analizar el comportamiento pasado de un usuario (como en la navegación web o la compra de productos) para predecir lo que podría interesarle en el futuro.
+  * Redes sociales:
+    * En plataformas de redes sociales, las RNN se utilizan para analizar la evolución de los comentarios o publicaciones, predecir tendencias y generar recomendaciones personalizadas.
+Para hacer este tipo de redes se usan nuevas capas que son:
+  * **RNN estándar**: Son las redes recurrentes clásicas, pero tienen problemas en secuencias largas.
+  * **LSTM (Long Short-Term Memory)**: Son una mejora de las RNN estándar por lo que recuerdan lo que ocurre a largo plazo.
+  * **GRU (Gated Recurrent Unit)**: Parecidas a las LSTM pero más sencillas. Tienen la ventaja de que se entrenan con muchas menos épocas pero son peores si la relación a "obtener" es muy compleja.
+En Keras las 3 capas se definen así:
+<sxh python>
+from tensorflow.keras.layers import RNN
+from tensorflow.keras.layers import LSTM
+from tensorflow.keras.layers import GRU
+</sxh>
+Por ahora no vamos a contar como son estas neuronas pero su esquema es este:
+{{:clase:iabd:pia:2eval:rnn-vs-lstm-vs-gru-1024x308.png|}}
+Las fórmulas matemáticas de cada tipo de neurona se puede ver en [[http://dprogrammer.org/rnn-lstm-gru|RNN, LSTM & GRU]]
+Más información:
+  * [[https://medium.com/analytics-vidhya/recurrent-neural-networks-rnns-and-time-series-forecasting-d9ea933426b3|Recurrent Neural Networks(RNN’s) and Time Series Forecasting]]
+  * [[https://omdena.com/blog/time-series-classification-model-tutorial/|Time Series Classification Tutorial with LSTM Recurrent Neural Networks]]
+  * [[https://www.analyticsvidhya.com/blog/2020/05/datetime-variables-python-pandas/|All you Should Know About Datetime Variables in Python and Pandas]]
+  * [[https://www.themachinelearners.com/modelos-secuencia/|Modelos de Secuencia. Todo lo que necesitas es atención]]
+===== Ejemplo =====
+Vamos a hacer una red neuronal que dado 24 temperatura (una por cada hora) obtener la temperatura que hará 12 horas despues.
+  * Vamos a generar una serie de datos temporales de temperaturas a lo largo del día y que cada día van aumentando.
+<sxh python>
+def get_serie_tiempo(datetime_start,num_dias=30,pendiente=0.005,amplitud=5,ruido_amplitud=1):
+    np.random.seed(7)
+    num_datos = num_dias*24
+    x = np.linspace(0, num_dias * 2 * np.pi, num_datos)  # Eje x (progresión del tiempo)
+    fechas = pd.date_range(start=datetime_start, periods=num_datos, freq="h")
+    tendencia = np.linspace(0, pendiente * num_datos, num_datos)  # Tendencia ascendente
+    onda = amplitud * np.sin(x)  # Onda sinusoidal
+    ruido = np.random.normal(0, ruido_amplitud, num_datos)  # Ruido aleatorio
+    datos = tendencia + onda + ruido
+    return fechas,datos
+fechas,temperaturas=get_serie_tiempo(datetime(2025, 1, 1, 10, 0, 0),num_dias=200,ruido_amplitud=0.5)
+figure=plt.figure(figsize=(20,10))
+axes = figure.add_subplot(2,1,1)
+axes.plot(fechas,temperaturas)
+axes_configure_labels(axes,"Datos originales","Tiempo","Temperatura")
+</sxh>
+{{:clase:iabd:pia:2eval:ejemplo1_gru_datos_originales.png|}}
+  * Ahora los transformamos en la estructura que quiere Keras que es una matriz para cada dato. Fijarse que la ''y'' también es una matriz.
+<sxh python>
+def get_datos(serie_datos,tamanyo_ventana=24,adelanto_prediccion=12):
+    size=len(serie_datos)
+    x=[]
+    y=[]
+    for i in range(size-tamanyo_ventana-adelanto_prediccion):
+        x.append(serie_datos[i:i+tamanyo_ventana])
+        y.append(serie_datos[i+tamanyo_ventana+adelanto_prediccion])
+    x=np.array(x)
+    y=np.array(y)
+    size_entrenamiento=math.floor(x.shape[0]*0.8)
+    x_entrenamiento=x[0:size_entrenamiento]
+    x_validacion=x[size_entrenamiento:]
+    y_entrenamiento=y[0:size_entrenamiento]
+    y_validacion=y[size_entrenamiento:]
+    return x_entrenamiento.reshape(-1,tamanyo_ventana,1), y_entrenamiento.reshape(-1,1), x_validacion.reshape(-1,tamanyo_ventana,1), y_validacion.reshape(-1,1)
+scaler = MinMaxScaler()
+temperaturas_scaled = scaler.fit_transform(temperaturas.reshape(-1,1)).reshape(temperaturas.shape)
+x_entrenamiento, y_entrenamiento, x_validacion, y_validacion=get_datos(temperaturas_scaled,tamanyo_ventana=24,adelanto_prediccion=12)
+</sxh>
+En nuestro ejemplo lo que hemos hecho es que para cada 24 temperaturas (''tamanyo_ventana=24'') , obtener la temperatura que habrá 12 horas después (''adelanto_prediccion=12'').
+Tambien hemos escalado los datos, lo cual es importante para que la red funcione mejor. Por último fíjate que tanto la ''x'' como la ''y'' son matrices ''x_entrenamiento.reshape(-1,tamanyo_ventana,1)'' y ''y_entrenamiento.reshape(-1,1)''
+  * Ahora vamos a crear la red y entrenarla
+<sxh python>
+def get_model(shape):
+    model=Sequential()
+    model.add(Input(shape=shape))
+    model.add(GRU(24, activation='swish', return_sequences=True))
+    model.add(Dropout(0.1))
+    model.add(GRU(50, activation='swish', return_sequences=True ))
+    model.add(Dropout(0.1))
+    model.add(GRU(24, activation='swish', return_sequences=False))
+    model.add(Dropout(0.1))
+    model.add(Dense(1, activation='linear'))
+    model.compile(loss='mean_squared_error',optimizer="adam")
+    return model
+def fit(model,x_entrenamiento, y_entrenamiento, x_validacion, y_validacion,epochs):
+    history=model.fit(x_entrenamiento,y_entrenamiento,validation_data=(x_validacion,y_validacion),epochs=epochs,verbose=False)
+    return history
+model=get_model(shape=x_entrenamiento.shape[1:])
+history=fit(model,x_entrenamiento, y_entrenamiento, x_validacion, y_validacion,30)
+</sxh>
+Fijarse que en las capas ''GRU'' hay que indicar ''return_sequences=True'' excepto en la última que debe ser ''return_sequences=False''
+  * Vamos a mostrar la gráfica de la pérdida en cada época
+<sxh python>
+figure=plt.figure(figsize=(6,4))
+axes = figure.add_subplot(1,1,1)
+axes.plot(history.history['loss'],label=f"Loss:{history.history['loss'][-1]:.3f}")
+axes.plot(history.history['val_loss'],label=f"Val Loss:{history.history['val_loss'][-1]:.3f}")
+axes_configure_labels(axes,"Loss por época","Épocas","MSE")
+</sxh>
+{{:clase:iabd:pia:2eval:ejemplo1_gru_loss.png|}}
+  * Para acabar vamos a mostrar 4 gráficos en la que se va a sobreponer los datos verdaderos y los predichos, tanto en entrenamiento como en validación.
+<sxh python>
+y_pred_entrenamiento=model.predict(x_entrenamiento)
+y_entrenamiento_inverse_transform=scaler.inverse_transform(y_entrenamiento)
+y_pred_entrenamiento_inverse_transform=scaler.inverse_transform(y_pred_entrenamiento)
+y_pred_validacion=model.predict(x_validacion)
+y_validacion_inverse_transform=scaler.inverse_transform(y_validacion)
+y_pred_validacion_inverse_transform=scaler.inverse_transform(y_pred_validacion)
+figure=plt.figure(figsize=(20,25))
+axes = figure.add_subplot(4,1,1)
+axes.plot(y_entrenamiento_inverse_transform,label="Real")
+axes.plot(y_pred_entrenamiento_inverse_transform,label="Predicha")
+axes_configure_labels(axes,"Todos Entrenamiento","Tiempo","Temperatura")
+axes.set_xlim(xmin=0,xmax=y_entrenamiento_inverse_transform.shape[0])
+axes.set_ylim(ymin=-6,ymax=16)
+axes = figure.add_subplot(4,1,2)
+axes.plot(y_validacion_inverse_transform,label="Real")
+axes.plot(y_pred_validacion_inverse_transform,label="Predicha")
+axes_configure_labels(axes,"Todos Validacion","Tiempo","Temperatura")
+axes.set_xlim(xmin=0,xmax=y_entrenamiento_inverse_transform.shape[0])
+axes.set_ylim(ymin=-6,ymax=16)
+axes = figure.add_subplot(4,1,3)
+axes.plot(y_entrenamiento_inverse_transform,label="Real")
+axes.plot(y_pred_entrenamiento_inverse_transform,label="Predicha")
+axes_configure_labels(axes,"Últimos Entrenamiento","Tiempo","Temperatura")
+axes.set_xlim(xmin=y_entrenamiento_inverse_transform.shape[0]-500,xmax=y_entrenamiento_inverse_transform.shape[0])
+axes.set_ylim(ymin=-6,ymax=16)
+axes = figure.add_subplot(4,1,4)
+axes.plot(y_validacion_inverse_transform,label="Real")
+axes.plot(y_pred_validacion_inverse_transform,label="Predicha")
+axes_configure_labels(axes,"Últimos Validacion","Tiempo","Temperatura")
+axes.set_xlim(xmin=y_validacion_inverse_transform.shape[0]-500,xmax=y_validacion_inverse_transform.shape[0])
+axes.set_ylim(ymin=-6,ymax=16)
+</sxh>
+{{:clase:iabd:pia:2eval:ejemplo1_gru_resultados.png|}}

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