【CS230-DL】13 循环神经网络

从这节课开始，我们来学习另一类非常出名的神经网络结构 —— RNN(Recurrent Neural Networks)。

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• 2019.10.23: 完成初稿

序列模型 Sequence Model

循环神经网络在语音识别、自然语言处理中有着非常好的表现，下面这些领域都使用了 RNN:

Awesome！接下来让我们从数学符号开始，走进科学，走进 RNN

数学符号 Notation

我们看下面这个例子：

针对 NLP，我们一般会有一个词表，就是从单词到编码的映射。有了词表之后，我们就可以把每个单词记为一个向量，这个向量的长度就是词表的长度，而对应单词的编码位置的值为 1，其他为 0（这就是 one-hot 编码）。如果遇到不在词表中的词，那么统一标记为 。

现在我们有了 X，接下来看看 Y，也就是我们希望模型输出什么样的结果，如下图所示：

这里的模型主要用于检测人名，我们希望人名对应的单词输出 1，否则输出 0。现在我们有了 X 和 Y，就要看看中间的神经网络模型要如何设计了。

循环神经网络模型 Recurrent Neural Network Model

前面提到，我们的目标就是用神经网络来找到 X 和 Y 的映射，那么标准的神经网络是不是也可以完成这个目标？我们来试试看：

结论是不合适，所以我们再来看看 RNN 是如何处理的：

循环神经网络是从左向右扫描数据的，同时每个时间步的参数也是共享的，并且在每一步的预测时，还会利用到前面的节点的输出（当然我们也可以利用后面的节点，用双向循环神经网络 BRNN）。

RNN 的前向传播如下：

这里的关键就是 $W {aa}, W {ax}$ 这两个权重矩阵。

时间上的反向传播 Backpropagation Through Time

一般来说如果用框架来编程，反向传播会自动处理好，不过我们也简单了解下：

RNN 反向传播示意图：

不同类型的 RNN

前面我们看到的 RNN 例子，X 中有多少个元素，Y 也有相同的个数，但这并不是绝对的，如下图所示：

总结下主要有下面几种类型：

语言模型和序列生成 Language Model and Sequence Generation

语言模型做的事情就是告诉你某个特定句子出现的概率是多少。下图是一个 RNN 模型：

这里我们重点关注下损失函数，实际上的操作是把所有单个预测的损失函数都加起来。

新序列采样 Sampling Novel Sequences

假设我们学习了一个语言模型，想要看看它到底学会了什么，最简单的办法就是试一下，比如输入第一个单词 The，然后网络会输出另外一个单词 A，我们再把单词 A 放到网络中，直到最终网络输出句子结束，如下图所示：

除了基于单词的语言模型，还有一种基于字符的，如下图所示：

这种情况下，我们的字典只要包含 26 个字母，10 个阿拉伯数字，还有空格就可以，不会出现 UNK 问题。不过用字符的问题在于序列长度会增加数倍，训练起来需要耗费更大的计算力。

RNN 的一个缺点在于不擅长处理长期依赖的问题，因为随着序列长度的增加，往往会出现梯度消失或梯度爆炸这样的问题（比如一个 ）。我们可以使用 GRU 来解决这个问题。

GRU 单元

GRU 改变了 RNN 的隐藏层，使其可以更好地捕捉深层连接，并改善了梯度消失问题，我们先来回顾下 RNN 单元，左图相当于是右边公式的可视化：

假设我们输入的序列是 The cat , which already ate …, was full. 我们需要网络能够关注 cat 和 was，这样就不会错误使用 were。因为 RNN 无法很好处理这样一前一后的依赖，GRU 单元中增加了一个新的变量 c，称为记忆细胞，在时间 t，记忆细胞的激活值 $c^{ }$ 实际上就是 GRU 单元的激活值 $a^{ }$（对于 LSTM 这个是不同的）。用图片画出来就是：

简单来说就是通过一个新的参数来记忆额外的东西，如果觉得公式比较复杂，也不用担心，因为大部分深度学习框架都已经实现好了（也侧面说明 GRU 多么经典）。

LSTM 单元

LSTM 可以看作是 GRU 更复杂一点的版本，公式上对比如下：

用图片画出来就是：

如果觉得比较复杂，也不要紧，只要大概知道 GRU 和 LSTM 的差别即可。

虽然我们先介绍了 GRU，但其实在历史上 LSTM 最先出现，GRU 则是最近才出现的。GRU 的优点在于简单，因此可以创建更大的模型，而且只有两个门，计算速度更快。LSTM 则更为强大和灵活，因为有三个门。一般来说可以先尝试 LSTM，然后再看看 GRU。

双向循环神经网络 Bidirectional RNN

单向 RNN 是从第一个词计算到最后一个词，而双向 RNN 增加的方向就是从最后一个词到第一个词，相当于计算两遍，算完之后就可以计算预测结果了，如下图所示：

注意，这里的单元可以是 RNN，也可以是 GRU 或 LSTM。对于自然语言处理来说，一般都会使用双向 LSTM。

深层循环神经网络 Deep RNNs

如果要学习非常复杂的函数，通常会把 RNN 的多个层堆叠在一起，如下图所示：

对于 RNN 来说，一般最多叠加 3 层，因为 3 还需要乘上时间维度，网络会变得非常大。