LSTMを使ってズンドコキヨシを学習する

# 概要

LSTMを使ってズンドコキヨシを学習してみました。
Chainerを使って実装しています。
ちょっと前にあからさまに誤ったコードを投稿してしまったのですが、修正して再投稿します。

LSTMの説明は以下の投稿が詳しいです。

[わかるLSTM ～ 最近の動向と共に](http://qiita.com/t_Signull/items/21b82be280b46f467d1b)

# モデル

以下のようなモデルを構築します
* 入力として「ズン」または「ドコ」を受けつける
* 出力はNoneまたは「＼キ・ヨ・シ！／」
* 「ズン」「ズン」「ズン」「ズン」「ドコ」をこの順で入力したら「＼キ・ヨ・シ！／」を出力、それ以外の場合はNoneを出力するように学習する

#コード

```zundoko.py
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np
import chainer
from chainer import Variable, optimizers, functions as F, links as L

np.random.seed()
zun = 0
doko = 1
input_num = 2
input_words = ['ズン', 'ドコ']
none = 0
kiyoshi = 1
output_num = 2
output_words = [None, '＼キ・ヨ・シ！／']
hidden_num = 8
update_iteration = 20

class Zundoko(chainer.Chain):
    def __init__(self):
        super(Zundoko, self).__init__(
            word=L.EmbedID(input_num, hidden_num),
            lstm=L.LSTM(hidden_num, hidden_num),
            linear=L.Linear(hidden_num, hidden_num),
            out=L.Linear(hidden_num, output_num),
        )

    def __call__(self, x, train=True):
        h1 = self.word(x)
        h2 = self.lstm(h1)
        h3 = F.relu(self.linear(h2))
        return self.out(h3)

    def reset_state(self):
        self.lstm.reset_state()

kiyoshi_list = [zun, zun, zun, zun, doko]
kiyoshi_pattern = 0
kiyoshi_mask = (1 << len(kiyoshi_list)) - 1
for token in kiyoshi_list:
    kiyoshi_pattern = (kiyoshi_pattern << 1) | token

zundoko = Zundoko()
for param in zundoko.params():
    data = param.data
    data[:] = np.random.uniform(-1, 1, data.shape)
optimizer = optimizers.Adam(alpha=0.01)
optimizer.setup(zundoko)

def forward(train=True):
    loss = 0
    acc = 0
    if train:
        batch_size = 20
    else:
        batch_size = 1
    recent_pattern = np.zeros((batch_size,), dtype=np.int32)
    zundoko.reset_state()
    for i in range(200):
        x = np.random.randint(0, input_num, batch_size).astype(np.int32)
        y_var = zundoko(Variable(x, volatile=not train), train=train)
        recent_pattern = ((recent_pattern << 1) | x) & kiyoshi_mask
        if i < len(kiyoshi_list):
            t = np.full((batch_size,), none, dtype=np.int32)
        else:
            t = np.where(recent_pattern == kiyoshi_pattern, kiyoshi, none).astype(np.int32)
        loss += F.softmax_cross_entropy(y_var, Variable(t, volatile=not train))
        acc += float(F.accuracy(y_var, Variable(t, volatile=not train)).data)
        if not train:
            print input_words[x[0]]
            y = np.argmax(y_var.data[0])
            if output_words[y] != None:
                print output_words[y]
                break
        if train and (i + 1) % update_iteration == 0:
            optimizer.zero_grads()
            loss.backward()
            loss.unchain_backward()
            optimizer.update()
            print 'train loss: {} accuracy: {}'.format(loss.data, acc / update_iteration)
            loss = 0
            acc = 0

for iteration in range(20):
    forward()

forward(train=False)
```

# 出力例

```
train loss: 18.4753189087 accuracy: 0.020000000298
train loss: 16.216506958 accuracy: 0.0325000006706
train loss: 15.0742883682 accuracy: 0.0350000008941
train loss: 13.9205350876 accuracy: 0.385000001639
train loss: 12.5977449417 accuracy: 0.96249999404
(中略)
train loss: 0.00433994689956 accuracy: 1.0
train loss: 0.00596862798557 accuracy: 1.0
train loss: 0.0027643663343 accuracy: 1.0
train loss: 0.011038181372 accuracy: 1.0
train loss: 0.00512072304264 accuracy: 1.0
ズン
ズン
ズン
ドコ
ドコ
ドコ
ズン
ズン
ズン
ドコ
ドコ
ドコ
ドコ
ドコ
ドコ
ズン
ドコ
ドコ
ズン
ドコ
ドコ
ズン
ドコ
ズン
ズン
ズン
ズン
ズン
ズン
ズン
ズン
ドコ
＼キ・ヨ・シ！／
```

# 少しはまったところ

最初dropoutを使っていたのですが、そうすると学習がうまくいかず出力がほぼNoneのみになってしまいました。