本章总结—循环神经网络（RNN），欢迎一起来学习~

本章用3年NLP学习经验总结，西欧阿哥毕生心血

什么是循环神经网络

循环神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）是一类以序列（sequence）数据为输入，在以序列（sequence）数据为输出，在序列的演进方向进行递归（recursion）且所有节点（循环单元）按链式连接的递归神经网络（recursive neural network）

它并⾮刚性地记忆所有固定⻓度的序列，而是通过隐藏状态来存储之前时间步的信息。

为什么有BP神经网络、CNN，还需要RNN?

因为PB,CNN网络（前馈神经网络）的输入输出都是相互独立的（只能正向或者反向传播的，单向的），但是实际应用中的有些场景的输出内容和之前的内容相关的（时序性）
RNN称之为循环神经网络，也称之为递归神经网络（将这一时刻的输出记忆好，传入到下一时刻输入），递归就是指其中每一个元素都是执行相同的任务，但是输出(问题)依赖于输入和“记忆“
我们已经学习了前馈网络的两种结构——bp神经网络和卷积神经网络，这 两种结构有一个特点，就是假设输入(问题)是一个独立的没有上下文联系的单位， 比如输入(问题)是一张图片，网络识别是狗还是猫。但是对于一些有明显的上下 文特征的序列化输入(问题)，比如预测视频中下一帧的播放内容，那么很明显这 样的输出必须依赖以前的输入(问题)， 也就是说网络必须拥有一定的”记忆能 力”。为了赋予网络这样的记忆力，一种特殊结构的神经网络——递归神经网络 (Recurrent Neural Network) 便应运而生了。

RNN的应用

机器翻译、看图说话、智能客服、聊天机器人、语音识别、文本情感分析、个性化推荐等…

RNN网络结构

网络某一时刻的输入(问题)x_txt​，和之前介绍的bp神经网络的输入(问题)一样，x_txt​是一个n 维向量，不同的是递归网络的输入(问题)将是一整个序列，也就是x=[x_1,…,x_{t-1},x_t,x_{t+1},…x_T]x=[x1​,…,xt−1​,xt​,xt+1​,…xT​]，对于语言模型，每一个x_txt​将代表一个词向量，一整个序列就代表一句话。 h_tht​代表时刻t隐神经元对于线性转换值，s_tst​(H_tHt​)代表时刻t的隐藏状态 ,o_tot​代表时刻t的输出
输入(问题)层到隐藏层直接的权重由U表示
隐藏层到隐藏层的权重W，它是网络的记忆控制者，负责调度记忆。
隐藏层到输出层的权重V

递归神经网络拥有记忆能力，而这种能力就是通过W将以 往的输入(问题)状态进行总结，而作为下次输入(问题)的辅助。可以这样理解隐藏状态：h=f(现有的输入(问题)+过去记忆总结)

RNN的反向求导

普通的神经网络梯度更新如下图：

RNN梯度更新如下图：

假设符号E表示误差。在时间t+1（经过两个时间步长），权重矩阵U 如何更新？？

Vanilla-RNN

Vanilla-RNN 其实就是最简单的RNN

Vanilla-RNN存在的问题

使用基于时间的反向传播算法训练循环神经网络时，我们可以选择小批量进行训练，这里我们定期更新批次权重（而不是每次输入(问题)样本）。 我们计算每一步的梯度，但不要立即更新权重。
另外，我们对权重每次更新固定的步长数量。这样有利于降低训练过程的复杂性，并消除权重更新中的噪音
RNN原理就是:传递过程中不断做乘法。连续乘一个小于1的数字，导致该数趋近于0，反之，趋近于无穷大。

如果反向传播超过10个时间步长，梯度会变得非常小。这种现象称为梯度消失问题 在循环神经网络中，我们可能也有相反的问题，称为梯度膨胀问题。

RNN动态图

梯度消失

梯度消失带来的影响

如 下 图

梯度爆炸

梯度消失带来的影响

RNN的反向传播

为了克服梯度消失的问题，LSTM和GRU模型便后续被推出了，为什么LSTM和 GRU可以克服梯度消失问题呢？

由于它们都有特殊的方式存储”记忆”，那么以前梯度比较大的”记忆**”不会像简单的RNN一样马上被抹除**，因此可以一定程度上克服梯度消失问题。

另一个简单的技巧可以用来克服梯度爆炸的问题就是gradient clipping（梯度裁剪），
也就是当你计算的梯度超过阈值c的或者小于阈值−c时候，便把此时的梯度设置成c或 −c。

下图所示是RNN的误差平面，可以看到RNN的误差平面要么非常陡峭，要么非 常平坦，如果不采取任何措施，当你的参数在某一次更新之后，刚好碰到陡峭的 地方，此时梯度变得非常大，那么你的参数更新也会非常大，很容易导致震荡问题。而如果你采取了gradient clipping这个技巧，那么即使你不幸碰到陡峭的地 方，梯度也不会爆炸，因为梯度被限制在某个阈值c。

Bidirectional RNN（双向的RNN）

Bidirectional RNN(双向RNN)假设当前t的输出不仅仅和之前的序列有关，并且 还与之后的序列有关

例如：预测一个语句中缺失的词语那么需要根据上下文进 行预测；
Bidirectional RNN是一个相对简单的RNNs，由两个RNNs上下叠加在 一起组成。输出由这两个RNNs的隐藏层的状态决定。

双向RNN中的机制

Deep(Bidirectional) RNN（深度的双向RNN）

Deep Bidirectional RNN(深度双向RNN)类似Bidirectional RNN，区别在于每个每一步的输入(问题)有多层网络，这样的话该网络便具有更加强大的表达能力 和学习能力，但是复杂性也提高了，同时需要训练更多的数据。