深度学习--循环神经网络（Recurrent Neural Network）

RNN（Recurrent Neural Network）是怎么来的？

一些应用场景，比如说写论文，写诗，翻译等等。

既然已经学习过神经网络，深度神经网络，卷积神经网络，为什么还要学习RNN？

首先我们必须要知道DNN，CNN的输入是相互独立的，比如说我们有一张照片，最终输入是猫还是狗，我输入的每张照片之间是不是没什么关系，也就是说相互独立。但是现实生活当中，有好多都是相互连接的，比如说股票随着时间的变化，再比如说：我是中国人，因此我的母语是______.我们知道这个空格要填的是汉语对吧，我们是怎么知道到，是不是通过上文进行简单的推断，知道这个地方要填汉语的呀，假如说：我们现在还是三岁小孩，读一个字忘一个字，那么我读到空格这个地方时候知道是汉语吗？不知道吧。所以RNN的本质是啥啊，是不是就是让它，“像人一样具有记忆啊”。

网络结构是什么样子的呢？

每个神经单元做的事情都是一样的，因此呢我们要是把他给折叠起来呢就是左边图的样子，要是张开的话就是有点图的样子，一句话概括RNN，就是一个结构重复的使用。

然后在这里我们引入一下时间步：什么是时间步，我要说一句话：我对人工智能很感兴趣，

我是怎么说的，是不是一个字一个字说出来的，那么同理，如果是我们机器处理的话，是不是同样也是一个字一个字输入并且处理的呀，因此呢，我这输入每个字，处理每个字的时候，就叫做一个时间步。

因此呢，我们上边的结构图可不可以这样去理解：xt代表的就是t时刻的输入，ot代表的就是t时刻的输出，st-1就是t时刻的记忆。

就好像我们现在是算法一的阶段，我们的知识是由，算法一这个学到的东西（输入）加上我们深度二以及深度二以前的东西（记忆）。

因此我们的公式能写成什么呀：

St = f（U*xt + w*st-1）

那么就有同学问啦，里边的公式我理解没那么加一个f（）是什么呀，这个呀就是激活函数，什么作用呢，就是过滤信息的，比如说我现在在给大家讲RNN，大家在深度的时候也学了RNN对吧，我呢，比你们之前那个老师讲的更容易理解更清楚供透彻，因此，大家是不可以吧他们讲的给忘啦，记住我讲了就行啦，对不对。RNN也是一样啊，我既然可以记忆啦，我肯定只记住有用的更重要的信息啊，那么神经网络中什么最适合过滤信息啊，激活函数吧，

做一个非线性的变换，来过滤信息。

大家已经学完了这个月的知识啦，那么是不是马上要月考了呀，那么月考的时候，大家是不是带着这个月的记忆就行啦，这个月的记忆是怎么构成的？是不是就是这个月学到的东西，加上上个月以及之前学的东西啊。

也就是告诉大家，我在计算ot的时候，是不是通过st算得的啊。

公式：ot = f（v * st）这是不是我t时刻的输出啊，也就是说我月考的成绩。

总结：

Xt：就是本月学的东西，也就是输入对吧

St：就是本月的记忆，刚才也讲啦，本月的记忆是不是由我当月学的，加上我之前学的记忆。就好像大家马上要月考啦，大家脑子里边是不是除了这个月学的东西，也有之前学的东西啊。

Ot：就是大家的月考了。是不是大家都是凭着记忆去考的试，而不是通过作弊去考的试吧，

但是很多情况下的Ot是不存在的，因为很多的NLP任务只关注最后一个输出，例如情感分析。在给大家类比一下：大家要去找工作的时候，人家是不是只看大家的技术怎么样啊，而不是看你，机器一考了100，机器二考了100，深度100，然后就要你啦对不对，我只看你学完实训之后出来掌握了多少技术，对不对。

BPTT：RNN的反向传播

实质是和BP算法一致的，只不过因为RNN是处理的序列数据，是不是随着时间步去处理的呀，我正向传播的时候是不是一个时间步一个时间步的去计算，同时时间步之间试试又是相互关联的呀，我正想传播如此，那么我反向传播的时候，是不是也应该随着时间步去反向传播啊，这就是BPTT（back propagetion through time），通过时间步反向传播。那么我们知道BP算法的核心是反向的链式求导，也就是说，寻找各个参数的梯度，然后沿着各个参数梯度的方向，不断的寻找最优的参数，直到收敛。

那么接下来我们就去看一看BPTT

首先对V求导是最简单的：

但是我们知道：RNN的代价是怎么产生的呀，是不是我在每一个时刻都会产生一个代价啊，

比如说我输出了一个样本，我这一个样本呢的序列长度是5，那么我的时间步是不是就是5，

每个时间步是不是都有一个输出啊，因此，我算代价的时候，我不能只算第五个时间步的输出和真实值的交叉熵啊，我要把每个时间步的输出都会有代价，那么我是不是要做一个所有时间步的加和是我的总代价啊，因此我对V的求偏导是不是就是这样啦：

但是对U和W进行求导的时候就比较复杂啦：

如图：

是不是我们对W和U进行求偏导的时候是不是要涉及到历史的数据啊，我们拿三个时刻举例：

对W求偏导公式：

 

 对U求偏导：

 但是好在我们是不是能发现一定的规律：

 那么我们知道这里边是不是h这个隐藏单元中是不是又激活函数在里边的呀：

那么我们这么做累乘的话会出现什么问题啊，梯度消失！！！

RNN中共享参数的问题：

首先我们知道在深度神经网络里边是不是参数都特别的多啊，然后呢，像在CNN，RNN这样的网络里边呢，我们让他们去共享参数，那么是不是就大大的减少了参数量啊，这样参数量一减少，那么速度上是不是就会有很大很大的提升！！！

我想让这么多隐藏神经单元的作用是一样的！！！

举个例子：我爱我的祖国
在输入第一个‘我’的时候，得到的输出和输入第三个‘我’的时候的到的输出是一样的

因为什么呀，相同的输入，相同的参数所以我会得到相同的结果，那么输入第一个‘我’和

第二个‘爱’的时候得到的输出肯定是不一样的，为什么呀？相同的参数（U,W,V）不同的输入，所以得到的输出是不一样的。

RNN的优缺点：

优点呢就是可以解决处理序列数据，使神经网络具有记忆的功能啊。

缺点就是，如果序列太长会导致梯度消失或者梯度爆炸，梯度消失呢也就导致了RNN不能长期的记忆，如果我一个序列很长的话，后边层的梯度根本就传不到前边层，后边层的误差，不能影响到前边层的计算，因此就不能去调整前层的参数了，所以他们就是失去了关系，因此RNN的梯度消失导致了RNN不能长期记忆。

梯度消失的话可以使用LSTM中的门解决。

梯度爆炸可以设定一个最大阈值。