循环神经网络知识要点笔记

循环神经网络
基于当前的输入与过去的输入序列，预测序列的下一个字符。循环神经网络引入一个隐藏变量$H$，用$H_{t}$表示$H$在时间步$t$的值。$H_{t}$的计算基于$X_{t}$和$H_{t-1}$，可以认为$H_{t}$记录了到当前字符为止的序列信息，利用$H_{t}$对序列的下一个字符进行预测。
假设$X_{t}\in \mathbb{R}^{n\times d }$是时间步长$t$的小批量输入，$H_{t}\in \mathbb{R}^{n\times h }$是该时间步的隐藏变量，则：
$H_{t}=\phi(X_{t}W_{xh} +H_{t-1}W_{hh}+b_{h})$
其中$W_{xh}\in \mathbb{R}^{d\times h}$，$W_{hh}\in \mathbb{R}^{h\times h}$，$b_{h} \in \mathbb{R}^{1\times h}$，$\phi$函数是非线性**函数。由于引入了$H_{t-1}W_{hh}$，$H_{t}$能够捕捉截至当前时间步的序列的历史信息，就像是神经网络当前时间步的状态或记忆一样。由于$H_{t}$的计算基于$H_{t-1}$，上式的计算是循环的，使用循环计算的网络即循环神经网络（recurrent neural network）。
在时间步$t$，输出层的输出为：
$O_{t}=H_{t}W_{hq} +b_{q}$
其中$W_{hq}\in \mathbb{R}^{h\times q}$,$b_{q}\in \mathbb{R}^{1\times q}$。

GRU
RNN存在的问题：梯度较容易出现衰减或爆炸（BPTT）
⻔控循环神经⽹络：捕捉时间序列中时间步距离较⼤的依赖关系
RNN:

$H_{t}=\phi(X_{t}W_{xh} +H_{t-1}W_{hh}+b_{h})$
GRU:

$R_{t}=\phi(X_{t}W_{xr} +H_{t-1}W_{hr}+b_{r})$
$Z_{t}=\phi(X_{t}W_{xz} +H_{t-1}W_{hz}+b_{z})$
$\tilde{H_{t}}=tanh(X_{t}W_{xh} +(R_{h}\odot H_{t-1})W_{hh}+b_{h})$
$H_{t}=Z_{t}\odot H_{t-1} +(1-Z_{t})H_{t-1}\odot \tilde{H_{t}}$
• 重置⻔有助于捕捉时间序列⾥短期的依赖关系；
• 更新⻔有助于捕捉时间序列⾥⻓期的依赖关系。

LSTM
长短期记忆long short-term memory :
遗忘门:控制上一时间步的记忆细胞 输入门:控制当前时间步的输入
输出门:控制从记忆细胞到隐藏状态
记忆细胞：⼀种特殊的隐藏状态的信息的流动

$I_{t}=\phi(X_{t}W_{xi} +H_{t-1}W_{hi}+b_{i})$
$F_{t}=\phi(X_{t}W_{xf} +H_{t-1}W_{hf}+b_{f})$
$O_{t}=\phi(X_{t}W_{xo} +H_{t-1}W_{ho}+b_{o})$
$\tilde{C_{t}}=tanh(X_{t}W_{xc} +H_{t-1}W_{hc}+b_{c})$
$C_{t}=F_{t}\odot C_{t-1} +I_{t}\odot \tilde{C_{t}}$
$H_{t}=O_{t}\odot tanh(C_{t})$

参考资料：
https://www.kesci.com/org/boyuai/project/5e4291f05f2816002ce8f9a0