循环神经网络原理笔记

(1)数学原理

循环神经网络就是一类以序列（sequence）数据为输入，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）。
如下图，就是每一层的输入为这一段话分词之后的单词X1,X2,X3…（单词是经过处理的，比如one-hot编码），初始化一个a0（可以是0向量也可以是随机向量），与该层权重Waa，Wax，经过一系列运算之后得到a1，再将a1与Wya进行运算之后得到y ^，这种结构下生成的每一个y ^都只与该层之前的x相关。每一层共享权重，Waa为一个时间步。计算公式见下方。
注：双向循环神经网络就可以使其前后都相关联。

计算公式：

RNN前向传播示意图：

RNN的反向传播是通过时间的反向传播，它的计算方向是逆时间顺序的。

RNN反向传播示意图：

(2)基本RNN结构

一对一：基本单元
一对多：音乐生成/序列生成。是将上一层的输出当下一层的输入。
多对一：情感分类。将输出与所有输入相关联。
多对多：1、输入输出长度相同：命名实体识别。输出与该点之前的内容相关联。2、输入输出长度不同：机器翻译。输入部分可看作编码器，输出部分看作解码器。

(3)梯度消失

神经网络反向传播的时候，当网络层数很大时，后面的层得到的y很难传播回去，很难影响靠前层的权重。在RNN中，因为梯度消失，后层的输出误差难以影响前面层的计算，导致RNN不擅长捕捉长期依赖（如：一段话的主语与句子后面动词形态之间的关联，由于动词和主语之间可以间隔很长，在训练时后面动词影响很难传播到前面主语所在的层形成关联）。基本RNN模型中一层的参数只能受到附近几层的影响。RNN不能很好的处理长期依赖的问题。
为了解决梯度消失的问题，引入GRU单元（门控循环单元）和LSTM单元（长短期记忆单元）。

(4)GRU与LSTM单元

1、GRU（门控循环单元）

GRU有两个门：更新门u和相关门r告诉网络什么时候更新。
更新门u是一个0~1的值，它告诉网络什么时候该更新记忆细胞的值。
相关门r告诉c与c之间的相关性。

使用数学表达式表示如下：

直观一点看如下：

2、LSTM（长短期记忆）

LSTM有三个门：更新门u、遗忘门f、输出门o。
使用数学表达式表示如下：

直观表示如下：

(5)BRNN 与 Deep RNNs

1、BRNN（双向循环神经网络）

双向循环神经网络解决了基本神经网络只能获取“过去”信息的问题。它是由不同的单元（基本RNN单元、GRU单元、LSTM单元）组成的可以反映”过去“、”未来“信息的网络 。

y值不仅与“过去”相关，也受“未来”影响。

2、Deep RNNs（深层循环神经网络）

深层循环神经网络是将多个RNN进行堆叠之后，按时间展开的网络。它的每一层，共享权值。

结语

学习内容是吴恩达深度学习第五课：序列模型，
部分截图自黄海广深度学习笔记，
内容只是自己日常学习笔记备份。