深度学习 - 处理序列的神经网络 (循环、长短时记忆、递归)

深度学习 – 处理序列的神经网络 (循环、长短时记忆、递归)

2023年4月6日上午10:37 • 循环神经网络

深度学习 - 处理序列的神经网络 - 循环、长短时记忆、递归

循环神经网络 RNN

结构 and 计算过程
反向传播
梯度问题

梯度消失与梯度爆炸
**函数

长短时记忆 LSTM

结构介绍
公式推导

递归神经网络 RNN

介绍

循环神经网络 RNN

循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）是一种对序列数据进行建模的深度学习模型。传统的深度学习模型，诸如 ANN 或 CNN 都只能对定长的数据进行学习，而且即便是可以将变长的数据处理成定长数据，也只能捕捉到数据中的局部特征。而 RNN 则可以处理序列数据，其中每个神经元都可以保存它们之前的序列信息，因此可以对整个序列进行建模，并对数据进行分类或生成新的序列。RNN在机器翻译、语音识别、图像描述和序列标注等多个领域有所应用。

结构 and 计算过程

RNN 的网络结构很简单，如图所示：

图中 x 为输入，s 为神经元，o 为输出，W、U、V 为参数矩阵。特殊之处在于 W 矩阵的回乘。

将 RNN 结构展开之后会更加清晰：

当中每一个神经元的计算过程如下，其中 $f$ 为**函数。

当前神经元的参数值：

$net_t=Ux_t+Ws_{t-1}$

$s_t=f(net_t)$

当前神经元的输出值： $o_t=f(Vs_t)$
反向传播

RNN 使用BPTT（Back Propagation Through Time，基于时间的反向传播）算法实现。其实依然是链式求导，没有太大差别。

模型是要经过训练的，RNN 的训练过程同样使用梯度下降，不过此时的梯度下降与 $o_t$ 无关，只与 ${s_1,......, s_{t},......,s_T}$ 有关。

RNN 的梯度可以写成连乘的形式： $frac{partial net_T}{partial net_1}=frac{partial net_T}{partial net_{T-1}}...frac{partial net_t}{partial net_{t-1}}...frac{partial net_2}{partial net_1}$

取其中一项探究：

$frac{partial net_t}{partial net_{t-1}}=frac{partial net_t}{partial s_{t-1}}·frac{partial s_{t-1}}{partial net_{t-1}}=W·diag[f'(net_{t-1})]$

其中 $W·diag[f'(net_{t-1})]$ 的结果： $n*n$ 的矩阵为雅可比矩阵。

反向传播以偏导数作为误差近似。
梯度问题
- 梯度消失与梯度爆炸
  
  RNN 设计的初衷就是为了捕获数据中长距离的依赖关系，但实践应用中却做不到这一点。主要原因是因为梯度消失问题。
  
  其中的一项梯度： $frac{partial net_t}{partial net_{t-1}}=W·diag[f'(net_{t-1})]$
  
  那么如果是多个神经元的话， $g=W^n·diag[f'(net_{t-1})]…diag[f'(net_{i})]…diag[f'(net_{1})]$ ，
  
  根据公式，当雅克比矩阵的特征值大于 1 时，则梯度 g 会非常大，距离输出层越远的神经元的梯度会越大，导致梯度爆炸，无法收敛；而如果特征值小于 1 时，则梯度 g 会非常小，距离输出层越远的神经元的梯度会越小，导致梯度消失，无法学习。
  
  因此 RNN 很难对数据中长距离的依赖关系进行学习。
  
  梯度爆炸可以使用梯度裁剪方法来缓解，即当梯度范式大于某一阈值时，对梯度进行等比收缩。而梯度消失问题则比较棘手，需要对模型本身进行改进。
  
  对于普通前馈神经网络来讲，深度残差网络可以缓解梯度消失的现象，对于 RNN 来讲，长短时记忆模型（LSTM）则很大程度上弥补梯度消失带来的损失。
- **函数
  
  ReLU 函数在前馈神经网络中应用非常广泛，它是否也可以应用到 RNN 中呢？
  
  当然也是可以使用的，只不过我们需要对矩阵初值做一定限制，否则很容易出现数值问题。
  
  对梯度 $g=W^n·diag[f'(net_{t-1})]^n$ ，**函数使用 ReLU，且值都大于 0 ，则 $diag[f'(net_{t-1})]^n$ 为单位矩阵（导数都为 1），所以 $g=W^n$ ，此时梯度 g 的情况则完全由 W 来决定。
  
  如果 $W$ 不是单位矩阵，则 $g=W^n$ 一定是非常小的数或非常大的数，仍然会出现梯度问题。所以如果使用 ReLU 作为**函数，在初始化时应设 W 为单位矩阵。实验结果也证明，初始化 W 为单位矩阵，使用 ReLU 做为**函数在一些应用中取得了与 LSTM 模型相似的结果，而且学习速度比 LSTM 快。