6、循环神经网络

循环神经网络

• 定义：循环神经网络（RNN）是一类具有短期记忆能力的神经网络。在循环神经网络中，神经元不但可以接受其它神经元的信息，也可以接受自身的信息，形成具有环路的网络结构。
• 应用：广泛应用在语音识别、语言模型以及自然语言生成等任务上。

给网络增加记忆

• 1、延时神经网络：在前馈网络中的非输出层都添加一个延时器，记录最近几
  次神经元的输出。
• 2、有外部输入的非线性自回归模型: 自回归模型的扩展，在每个时刻 t都有一个外部输入 x_{t，产生一个输出 yt。}
• 3、循环神经网络: 通过使用带自反馈的神经元，能够处理任意长度的时序数据。

  • 结构图：

    

  • 给定一个输入序列x_1:T = (x₁, x₂, . . . , x_t, . . . , x_T ), 其隐藏层的活性值为h_t=f(h_t-1,x_t)

---

简单循环神经网络

• 特点：只有一个隐藏层的循环神经网络。

• 假设在时刻t时，网络的输入为x_t，隐层状态（即隐层神经元活性值）为h_t不仅和当前时刻的输入 x_t 相关，也和上一个时刻的隐层状态 h_t−1 相关。即:

  • z_t=Uh_t-1+Wx_t+b
  • h_t=f(z_t)
  • y_t=Vh_t
  • 上述U被称为状态-状态权重矩阵,W被称为状态-输入权重矩阵.

• 将网络在时间维度上展开其结构图:

  

• 图灵机是一种抽象的信息处理装置， 可以用来解决任所有的可计算机问题。

• 图灵完备是指一种数据操作规则，比如一种计算机编程语言，可以实现图灵机（Turing Machine）的所有功能，解决所有的可计算问题。

---

应用

• 根据循环神经网络的不同应用领域,可以分为序列到类别模式, 同步序列到序列模式, 异步序列到序列模式.

  序列到类别模式
  

  • 定义：主要用于序列数据的分类问题,输入为序列，输出为类别。比如在文本分类中，输入数据为单词的序列，输出为该文本的类别。
  • 序列到类别的两种模型:

  

  同步序列到序列模式
  

  • 主要用于序列标注（Sequence Labeling）任务，即每一时刻都有输入和输出，输入序列和输出序列的长度相同。比如词性标注（Partof-Speech Tagging）中，每一个单词都需要标注其对应的词性标签。

  

  异步序列到序列模式.

  • 称为编码器-解码器（Encoder-Decoder）模型，即输入序列和输出序列不需要有严格的对应关系，也不需要保持相同的长度。比如在机器翻译中，输入为源语言的单词序列，输出为目标语言的单词序列。
  • 模型结构:

  

---

参数学习

• 循环神经网络的参数学习方式也是梯度下降算法,根据计算方式可以分为两种:随时间反向传播(BPTT)和实时循环学习(RTRL).
• 随时间反向传播：误差反向传播
  • 误差传播结构图:
    
• 实时循环学习：误差前向传播
• 比较： BPTT算法和 RTRL算法都是基于梯度下降的算法，分别通过前向模式和反向模式应用链式法则来计算梯度。在循环神经网络中，一般网络输出维度远低于输入维度，因此 BPTT算法的计算量会更小，但是 BPTT算法需要保存所有时刻的中间梯度，空间复杂度较高。 RTRL算法不需要梯度回传，因
  此非常适合用于需要在线学习或无限序列的任务中。

---

长期依赖问题

• 当时间间隔较大时,容易出现梯度消失或者梯度爆炸现象.
• 梯度爆炸：一般而言，循环网络的梯度爆炸问题比较容易解决，一般通过权重衰减或梯度截断来避免。
  • 权重衰减 是通过给参数增加 ℓ1 或 ℓ2 范数的正则化项来限制参数的取值范
    围，从而使得 γ ≤ 1。
  • 梯度截断是另一种有效的启发式方法，当梯度的模大于一
    定阈值时，就将它截断成为一个较小的数。
• 梯度消失 是循环网络的主要问题.
• 记忆容量问题: 隐藏状态h_t 可以存储的信息是有限的，随着记忆单元存储的内容越来越多，其丢失的信息也越来越多。为了解决容量问题，可以有两种方法:
  • 一种是增加一些额外的存储单元：外部记忆；
  • 另一种是进行选择性的遗忘，同时也进行有选择的更新。

---

基于门控的循环神经网络

• 长短期记忆网络(LSTM) 是基于门控的循环神经网络的一种,它引入了门机制,即输入门i_t, 遗忘门f_t 和输出门o_t.

  • 遗忘门f_t: 控制上一个时刻的内部状态c_t-1 需要遗忘多少信息。
  • 输入门i_t: 控制当前时刻的候选状态c˜_t 有多少信息需要保存。
  • 输出门o_t: 控制当前时刻的内部状态c_t有多少信息需要输出给外部状态h_t。

• 三个门及候选状态的计算方式:

  

  

  

• 结构图:

  

• 门控循环单元（GRU）网络 是一种比 LSTM网络更加简单的循环神经网络。其将输入门和遗忘门合并为一个更新门.

• 当前时刻的候选状态 h˜_t ,重置门r_t,隐状态h_t,更新门z_t计算方式:

  

  

  

  

• 结构图:

  

---

深层神经网络

• 堆叠循环神经网络

  

• 双向循环神经网络