一个基本的循环神经网络（RNN）

2023年4月6日上午10:35 • 循环神经网络

简介

首先，我们从一个问题看：
你是否能理解下面这句话的意思吗？“肉喜欢如此我的吃是”，显然很难理解。那这句话呢？“我是如此的喜欢吃肉”，句子通顺了就很好理解了！从这里可以看出，一些词顺序的颠倒就使得整个句子不通顺。
在日常生活中也有许许多多这样的问题。例如：
+ 之前的那个句子——词语的顺序决定了它们的意义
+ 时间序列数据——事件的发生顺序由时间决定
+ 基因组序列数据——每个序列都有不同的含义

它们共同之处就是：序列的信息决定事件本身。传统的神经网络并不能很好地学习数据的先前知识（prior knowledge），来理解这些数据。因此，便有了循环神经网络（RNN）。

一个用于处理序列的神经网络可以实现什么任务：

RNN的优点在于其应用的多样性，他有强大的处理各种输入和输出类型的能力。例如：
+ 情感分析——这是可以把一段文字分成正负两种情绪。输入时任意长度的句子，输出是固定长度固定类型。
“这一场电影真不错。” ——> +
“这人演的真是烂啊。” ——> -
+ 图像标注——假设我们有一张图片，我们需要描述这张图片。所以，我们的输入是单一的图像，输出是单词或句子。这里图像可能是固定大小的，但是输出是不同长度的文字描述。

+ 语言翻译——如下图，英文翻译成法语。每种语言都有自己的语义，对同一句话有不同的长度。因此，这次的输入和输出是不同长度的。
一个基本的循环神经网络（RNN）
因此，RNNs可用于将输入映射到不同类型、长度的输出，并根据实际应用泛化。让我们看看RNN的架构是怎样的。

什么是循环神经网络

RNN因为具有“记忆”功能，所以很擅于处理自然语言和其他序列任务。它可以一次读取一个输入 $x^{⟨ t ⟩}$ (例如单词)，并且从一个时间步到另一个时间步可以通过隐藏层的**函数记住一些信息/内容。这一点允许一个单向RNN从过去获取信息来处理稍后的输入。

接下来要用到的符号:
- 上标 $[l]$ 表示与第 $l^{t h}$ 层相关联的对象。
- 例如: $a^{[4]}$ 是第 $4^{t h}$ 层的**函数。 $W^{[5]}$ 和 $b^{[5]}$ 是第 $5^{t h}$ 层的参数。

上标 $(i)$ 表示与第 $i^{t h}$ 样本相关联的对象。
- 例如: $x^{(i)}$ 是第 $i^{t h}$ 训练样本的输入。
上标 $⟨ t ⟩$ 在第 $t^{t h}$ 个时间步的对象。
- 例如: $x^{⟨ t ⟩}$ 是在第 $t^{t h}$ 时间步输入的 x 。 $x^{(i) ⟨ t ⟩}$ 是样本 $i$ 在第 $t^{t h}$ 时间步的输入。
下标 $i$ 表示向量的第 $i^{t h}$ 个条目。
- 例如: $a_{i}^{[l]}$ 表示在 $l$ 层的第 $i^{t h}$ 个**函数。

如下是一个RNN，有一个输入层（X），一个隐藏层（RNN）和一个输出层（Y），其中隐藏层RNN做一个自循环。

一个基本的循环神经网络（RNN）

我们对该图进行展开，得到如下结构,其中分为T个时间步：
一个基本的循环神经网络（RNN）

我们先来看单个RNN cell:
一个基本的循环神经网络（RNN）
一个RNN可以看做是单个RNN-cell的循环。我们先来看单个时间步是怎么实现的。
其中：
+ $x^{⟨ t ⟩}$ 为当前输入。
+ $a^{⟨ t - 1 ⟩}$ 为之前的隐藏状态，包含来自上一个RNN-cell的信息，其中第一个隐藏状态由我们随机初始化。
+ $a^{⟨ t ⟩}$ 为当前RNN-cell的隐藏状态，作为下一个RNN-cell 的输入。
+ $y^{⟨ t ⟩}$ 则是根据输入和之前隐藏状态得到的预测值。

其计算步骤：
1. 用tanh作为**函数计算隐藏状态： $a^{⟨ t ⟩} = \tanh (W_{a a} a^{⟨ t - 1 ⟩} + W_{a x} x^{⟨ t ⟩} + b_{a})$ 。（其中 $W_{a x}$ 表示 $a^{⟨ t ⟩}$ 的权值矩阵 $W$ 与 $x^{⟨ t ⟩}$ 相乘的权值矩阵， $W_{a a}$ 同理）。
2. 使用上一步的得到的隐藏状态 $a^{⟨ t ⟩}$ , 计算预测值 ${\hat{y}}^{⟨ t ⟩} = s o f t m a x (W_{y a} a^{⟨ t ⟩} + b_{y})$ 。

你可以把RNN看做RNN-cell的重复，如果输入的数据序列超过10个时间步，那么将重复十个RNN-cell，也就是下图的T=10。其中每个RNN-cell将前一个时间步的RNN-cell的隐藏状态 $a^{⟨ t - 1 ⟩}$ 和当前时间步的输入数据 $x^{⟨ t - 1 ⟩}$ 作为输入。在这个时间步它输出一个隐藏状态 $a^{⟨ t ⟩}$ 和一个预测 $y^{⟨ t ⟩}$ 。

一个基本的循环神经网络（RNN）
其中输入序列 $x = (x^{⟨ 1 ⟩}, x^{⟨ 2 ⟩}, . . ., x^{⟨ T_{x} ⟩})$ 可以是一个词的one-hot编码。例如”我喜欢这个东西”的one-hot编码序列为[1,0,0,0……,1,0,……,1]，其中 $x^{⟨ 1 ⟩}$ 就对应序列中的 1， $x^{⟨ 2 ⟩}$ 对应其中序列中的第二个数0，以此类推。