循环神经网络RNN

神经网络 RNN
神经网络是深度学习的载体，而神经网络模型中，最经典非RNN模型所属，尽管它不完美，但它具有学习历史信息的能力。后面不管是Encoder-Decoder 框架，还是注意力模型，以及自注意力模型，以及更加强大的Bert模型家族，都是站在RNN的肩上，不断演化、变强的。
这篇文章，阐述了RNN的方方面面，包括模型结构，优缺点，RNN模型的几种应用，RNN常使用的激活函数，RNN的缺陷，以及GRU，LSTM是如何试图解决这些问题，RNN变体等。

概述

传统RNN的体系结构。Recurrent neural networks，也称为RNNs，是一类允许先前的输出用作输入，同时具有隐藏状态的神经网络。它们通常如下所示：

对于每一时步，激活函数，输出被表达为:
这里 是时间维度网络的共享权重系数
是激活函数

下表总结了典型RNN架构的优缺点：

RNNs应用

RNN模型主要应用于自然语言处理和语音识别领域。下表总结了不同的应用：

RNN 类型	图解	例子
1对1		传统神经网络
1对多		音乐生成
多对1		情感分类
多对多		命名实体识别
多对多		机器翻译

损失函数

对于RNN网络，所有时间步的损失函数是根据每个时间步的损失定义的，如下所示：

时间反向传播

在每个时间点进行反向传播。在时间步，损失相对于权重矩阵的偏导数表示如下：

处理长短依赖

常用激活函数

RNN模块中最常用的激活函数描述如下：

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梯度消失/爆炸

在RNN中经常遇到梯度消失和爆炸现象。之所以会发生这种情况，是因为很难捕捉到长期的依赖关系，因为乘法梯度可以随着层的数量呈指数递减/递增。

梯度修剪

梯度修剪是一种技术，用于执行反向传播时，有时遇到的梯度爆炸问题。通过限制梯度的最大值，这种现象在实践中得以控制。

门的类型

为了解决消失梯度问题，在某些类型的RNN中使用特定的门，并且通常有明确的目的。它们通常标注为，等于：

其中，是特定于门的系数，是sigmoid函数。主要内容总结如下表：

门的种类	作用	应用
更新门	过去对现在有多重要？	GRU, LSTM
关联门	丢弃过去信息?	GRU, LSTM
遗忘门	是不是擦除一个单元?	LSTM
输出门	暴露一个门的多少?	LSTM

GRU/LSTM

Gated Recurrent Unit（GRU）和长-短期记忆单元（LSTM）处理传统RNNs遇到的消失梯度问题，LSTM是GRU的推广。下表总结了每种结构的特征方程：

注：符号表示两个向量之间按元素相乘。

RNN的变体

下表总结了其他常用的RNN模型：

Bidirectional (BRNN)	Deep (DRNN)