深度学习基础篇之循环神经网络（RNN）_rnn网络

前面我们讲了DNN，以及DNN的特例CNN的模型及其前向反向传播算法，这些算法都是前向反馈的，模型的输出和模型本身没有关联。今天我们就讨论另一类模型间有反馈的神经网络：循环神经网络（Recurrent Neural Networks，以下简称RNN），它广泛的用于自然语言处理中的语音识别、手写识别及机器翻译等。

1、RNN概述

在前面的DNN和CNN中，训练样本的输入和输出是比较确定的。但是有一类问题DNN和CNN不好解决，就是训练样本输入是连续的序列，且序列的长短不一，比如基于时间的序列：一段段连续的语音、一段段长短不一的手写文字。这些序列比较长，而且长度不一，比较难直接的拆分一个个独立的样本来通过DNN/CNN进行训练。

对于这类问题，RNN会比较擅长。那么RNN是怎么做到的呢？RNN假设我们的样本是基于序列的，比如是从序列索引$1$到序列索引$n$的。对于这其中的任意序列索引号$t$，它对应的输入是样本序列中的$x^{(t)}$。模型在序列索引$t$位置的隐藏状态$h^{(t)}$，由$x^{(t)}$和在$t-1$位置的隐藏状态$h^{(t-1)}$共同决定。在任意序列索引号$t$，我们对应的模型输出是$o^{(t)}$。通过预测输出$o^{(t)}$和训练序列真实输出$y^{(t)}$、以及损失函数$L^{(t)}$，我们就可以用与DNN类似的方法训练模型，然后预测测试序列中一些未知的输出。

下面我们看看RNN模型的结构

2、RNN模型

RNN模型有很多的变种，这里介绍最主流的RNN模型结构如下：

上图中左边是RNN模型没有按时间展开的图，如果按时间序列展开，就是上图中右边的部分，下面我们重点观察右边部分的图。
这幅图描述了在序列索引号时间$t$附近RNN的模型，其中：

1. $x^{(t)}$代表在序列索引$t$时训练样本的输入，同样的，$x^{(t-1)}$和$x^{(t+1)}$代表在序列索引号$t-1$和$t+1$时训练样本的输入。
2. $h^{(t)}$代表在序列索引号$t$时模型的隐藏状态，$h^{(t)}$由$x^{(t)}$和$h^{(t-1)}$共同决定。
3. $o^{(t)}$代表在序列索引号$t$时模型的输出，$o^{(t)}$只由模型当前的隐藏状态$h^{(t)}$决定。
4. $L^{(t)}$代表在序列索引号$t$时模型的损失函数。
5. $y^{(t)}$代表在序列索引号$t$时训练样本序列的真实输出。
6. $U,W,V$这三个矩阵是我们模型的参数，它在整个RNN模型中是共享的，这点和DNN不相同。也正是因为共享，体现了RNN模型的“循环反馈”思想。

3、RNN前向传播算法

有了上面的模型，RNN的前向传播算法就可以推导出来了。

对于任意一个序列索引号$t$，隐藏状态$h^{(t)}$由$x^{(t)}$和$h^{(t-1)}$得到：
$$h^{(t)}=\sigma (z^{(t)})=\sigma (U{x}^t+W{h}^{(t-1)}+b)$$ 其中$\sigma$是RNN的激活函数，一般为$tanh$，$b$为线性关系的偏倚。

序列索引号$t$时模型的输出$o^{(t)}$的表达式如下：
$$o^{(t)}=V{h}^{(t)}+c$$ 最终的预测输出为：
$$\hat{y}=\sigma (o^{(t)})$$
通常由于RNN是识别类的分类模型，所以上面的激活函数一般是softmax，通过损失函数$L^{(t)}$，比如对数似然损失函数，我们可以量化模型在当前位置的损失，即${\hat{y}}^{(t)}$和$y^{(t)}$的差异。

4、RNN结构的缺陷

普通的RNN结构在处理长序列时会遇到一些问题，如序列的前部信息在传递至后面的时候，信息权重下降，导致重要信息的丢失。

The student, who got A+ in the exam, ____excellent.
The students, who got A+ in the exam, ____excellent.

当RNN模型在处理上述文本时，可能就会因为没注意到student是单数还是复数，导致was和were填错。信息下降的过程如下图所示：

普通RNN结构的缺点总结如下：

1. 前部序列信息在传递到后部时，信息权重下降，导致重要信息丢失。
2. 求解过程中梯度消失（也是由于序列太长所致）。

所以要对RNN的结构进行升级，下一节的LSTM就是为了解决RNN的上述问题而提出的。