自然语言处理之RNN

一、循环神经网络（ Recurrent Neural Network, RNN）

1.1 全连接神经网络弊端，引出RNN

对于下图所示的全连接神经网络来说，输入层每一个节点接收一个特征输入，输入的节点与隐藏层的各个节点相连，隐藏层节点与输出层节点相连，但存在的问题是各层内部的节点之间相互独立，即每一次的输入与上一时刻的输入没有关联，这样不能很好的处理序列信息，如一 段连续的信息，前后信息之间是有关系地，必须将不同时刻的信息放在一起理解。比如一句话，虽然可以拆分成多个词语，但是需要将这些词语连起来理解才能得到一句话的意思。
为解决这一问题，循环神经网络应运而生了。

1.2 循环神经网络RNN

• 对于上图中的右图，参数解释：
  1）$X_t$是$t$时刻的输入，是一个$[x_1,x_2,...,x_n]$的向量；
  2）$U$是输入层到隐藏层的权重矩阵；
  3）$S_t$是$t$时刻隐藏层的值；
  4）$W$是上一时刻的隐藏层的值传入到下一时刻的隐藏层时的权重矩阵；
  5）$V$是隐藏层到输出层的权重矩阵；
  6）$O_t$是$t$时刻RNN网络的输出值。
  上图中可以看出，$S_t$不仅与$X_t$有关，还与$t-1$时刻的隐藏层的值$S_{t-1}$有关。隐藏层的循环操作就是每一时刻计算一个隐藏层地值，然后再把该隐藏层的值传入到下一时刻，达到信息传递的目的。
• 隐藏层值$S_t$的计算公式如下：
  $$S_t=f(U\ast X_t+W\ast S_{t-1}+b)\text{\hspace{1em}(1)}$$
  上式中$f()$是激活函数，一般选用$tanh$。
• 输出层的值为：
  $$O_t=g(V\ast S_t)\text{\hspace{1em}(2)}$$
  上式中$g()$是激活函数，RNN网络的输出值，如果是二分类采用$sigmoid$，多分类则采用$softmax$。
• RNN的参数共享:在同一层隐藏层中，不同时刻的W，V，U均是相等地。
• 对于$X_{t-1}$、$X_t$和$X_{t+1}$是表示不同时刻的输入，他们在输入时不是单个向量一个一个的输入，而是组合形成一个矩阵输入，然后通过权值$U$变化。

1.2 循环神经网络RNN训练方法

• 训练RNN常用的一种方法是 BPTT算法（back-propagation through time），其本质也是BP算法（Backpropagation Algorithm），BP算法的本质其实又是梯度下降法。
  
• 上图是带入了RNN 损失函数Loss的按时间线结构展开图。ht相当于是之前介绍过的隐藏层的值St。在RNN的训练调参过程中，需要调优的参数只有W，U，V三个。
  $$O_t=g(V\ast h_t)\text{\hspace{1em}(3)}$$
  对$V$的偏导为：
  $$\frac{\partial L^{(t)}}{\partial V}=\frac{\partial L^{(t)}}{\partial o^{(t)}}\cdot \frac{\partial o^{(t)}}{\partial V}\text{\hspace{1em}(4)}$$
  RNN的损失函数随时间累加的，所以需要求$L$对$V$的偏导数：
  $$L=\sum _{t=1}^n{L}^{(t)}\text{\hspace{1em}(5)}$$
  $$\frac{\partial L}{\partial V}=\sum _{t=1}^n\frac{\partial L^{(t)}}{\partial o^{(t)}}\cdot \frac{\partial o^{(t)}}{\partial V}\text{\hspace{1em}(6)}$$
  $h_t$的计算公式为：
  $$h_t=f(U\cdot X_t+W\cdot h_{t-1}+b)\text{\hspace{1em}(7)}$$
  由于$h_t$与$h_{t-1}$都与$W,U$有关，所以对$W,U$求偏导时需要涉及到所有历史时刻的数据，先假设目前只有3个时刻，那么在第三个时刻，即$t=3$时，$L^{(3)}$对$W,U$的偏导数分别为：
  $$\frac{\partial L^{(3)}}{\partial W}=\frac{\partial L^{(3)}}{\partial o^{(3)}}\cdot \frac{\partial o^{(3)}}{\partial h^{(3)}}\cdot \frac{\partial h^{(3)}}{\partial W}+\frac{\partial L^{(3)}}{\partial o^{(3)}}\cdot \frac{\partial o^{(3)}}{\partial h^{(3)}}\cdot \frac{\partial h^{(3)}}{\partial h^{(2)}}\cdot \frac{\partial h^{(2)}}{\partial W}+\frac{\partial L^{(3)}}{\partial o^{(3)}}\cdot \frac{\partial o^{(3)}}{\partial h^{(3)}}\cdot \frac{\partial h^{(3)}}{\partial h^{(2)}}\cdot \frac{\partial h^{(2)}}{\partial h^{(1)}}\cdot \frac{\partial h^{(1)}}{\partial W}\text{\hspace{1em}(8)}$$
  $$\frac{\partial L^{(3)}}{\partial U}=\frac{\partial L^{(3)}}{\partial o^{(3)}}\cdot \frac{\partial o^{(3)}}{\partial h^{(3)}}\cdot \frac{\partial h^{(3)}}{\partial U}+\frac{\partial L^{(3)}}{\partial o^{(3)}}\cdot \frac{\partial o^{(3)}}{\partial h^{(3)}}\cdot \frac{\partial h^{(3)}}{\partial h^{(2)}}\cdot \frac{\partial h^{(2)}}{\partial U}+\frac{\partial L^{(3)}}{\partial o^{(3)}}\cdot \frac{\partial o^{(3)}}{\partial h^{(3)}}\cdot \frac{\partial h^{(3)}}{\partial h^{(2)}}\cdot \frac{\partial h^{(2)}}{\partial h^{(1)}}\cdot \frac{\partial h^{(1)}}{\partial U}\text{\hspace{1em}(9)}$$
  所以对于$W,U$的偏导数通式为：
  $$\frac{\partial L^{(t)}}{\partial W}=\sum _{k=0}^n\frac{\partial L^{(t)}}{\partial o^{(t)}}\frac{\partial o^{(t)}}{\partial h^{(t)}}(\prod _{j=k+1}^n\frac{\partial h^{(j)}}{\partial h^{(j-1)}})\frac{\partial h^{(k)}}{\partial W}\text{\hspace{1em}(10)}$$
  $$\frac{\partial L^{(t)}}{\partial U}=\sum _{k=0}^n\frac{\partial L^{(t)}}{\partial o^{(t)}}\frac{\partial o^{(t)}}{\partial h^{(t)}}(\prod _{j=k+1}^n\frac{\partial h^{(j)}}{\partial h^{(j-1)}})\frac{\partial h^{(k)}}{\partial U}\text{\hspace{1em}(11)}$$
• 对于隐藏层的激活函数，为什么选择$tanh$？
  1）sigmoid函数：
  $$f(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}\text{\hspace{1em}(12)}$$
  导数为：
  $$f^{\prime }(x)=f(x)(1-f(x))\text{\hspace{1em}(13)}$$
  
  2）tanh函数：
  $$tanh(x)=\frac{exp(x)-exp(-x)}{exp(x)+exp(-x)}\text{\hspace{1em}(14)}$$
  导数为：
  $$tan{h}^{\prime }(x)=1-tan{h}^2(x)\text{\hspace{1em}(14)}$$
  
• sigmoid函数的导数介于$[0,0.25]$之间，tanh函数的导数介于$[0,1]$之间，导数都小于1，将众多小于1的数连乘时，虽然二者都会出现出现梯度消失，但tanh比sigmoid函数表现的要好，梯度消失的没那么快。
• 其实在RNN中使用ReLU函数确实也是能解决梯度消失的问题地，但是又会引入一个新问题梯度爆炸，先看看ReLU函数和其导数图：
  
  因为ReLu的导数恒为1，由上面的公式我们发现
  
  激活函数的导数每次需要乘上一个Ws，只要Ws的值大于1的话，经过多次连乘就会发生梯度爆炸的现象。但是这里的梯度爆炸问题也不是不能解决，可以通过设定合适的阈值解决梯度爆炸的问题。
• 目前大家在解决梯度消失问题地时候一般都会选择使用LSTM这一RNN的变种结构来解决梯度消失问题，而LSTM的激活函数又是选择的tanh，还不会引入梯度爆炸这种新问题。

1.3 循环神经网络RNN的多种类型任务

1.3.1 one-to-one

• 输入的是独立地数据，输出的也是独立地数据，基本上不能算作是RNN，跟全连接神经网络没有什么区别。

1.3.2 one-to-n

• 输入的是一个独立数据，需要输出一个序列数据，常见的任务类型有：
  基于图像生成文字描述
  基于类别生成一段语言，文字描述

1.3.3 n-to-n

• 最为经典地RNN任务，输入和输出都是等长地序列
• 常见的任务有：
  计算视频中每一帧的分类标签
  输入一句话，判断一句话中每个词的词性

1.3.4 n-to-one

• 输入一段序列，最后输出一个概率，通常用来处理序列分类问题。
• 常见任务：
  文本情感分析
  文本分类

1.3. 5 n-to-m

• 输入序列和输出序列不等长地任务,也就是Encoder-Decoder结构，这种结构有非常多的用法：
  机器翻译：Encoder-Decoder的最经典应用，事实上这结构就是在机器翻译领域最先提出的
  文本摘要：输入是一段文本序列，输出是这段文本序列的摘要序列
  阅读理解：将输入的文章和问题分别编码，再对其进行解码得到问题的答案
  语音识别：输入是语音信号序列，输出是文字序列

1.4 BiRNN：双向RNN

虽然RNN达到了传递信息的目的，但是只是将上一时刻的信息传递到了下一时刻，也就是只考虑到了当前节点前的信息，没有考虑到该节点后的信息。具体到NLP中，也就是一句话，不仅要考虑某个词上文的意思，也还要考虑下文的意思，这个时候普通的RNN就做不到了。于是就有了双向RNN（Bidirectional RNN）。

上面是BiRNN的结构图，蓝框和绿框分别代表一个隐藏层，BiRNN在RNN的基础上增加了一层隐藏层，这层隐藏层中同样会进行信息传递，两个隐藏层值地计算方式也完全相同，只不过这次信息不是从前往后传，而是从后往前传，这样不仅能考虑到前文的信息而且能考虑到后文的信息了。
实现起来也很简单，比如一句话，“我爱NLP”，进行分词后是[“我”,“爱”,“NLP”]，输入[[“我”],[“爱”],[“NLP”]]，计算forward layer隐藏层值，然后将输入数据翻转成[[“NLP”],[“爱”],[“我”]]，计算backward layer 隐藏层值，然后将两个隐藏层的值进行拼接，再输出就行啦。

1.5 DRNN：深层RNN

上图是DRNN的结构图，很简单，每一个红框里面都是一个BiRNN，然后一层BiRNN的输出值再作为另一个BiRNN的输入。多个BiRNN堆叠起来就成了DRNN。