深度学习 《RNN模型》

前言：
前几篇博文里面我们学习了传统的BP神经网络，你可以称为她是全连接的网络，也可以称之为DNN（denisty nextwork），也学习了卷积神经网络，在卷积神经网络里面还学习了池化等结构，并且在pytorch 上都拿MNIST数据集做了测试，总体感觉提取了特征后的CNN确实要比普通的神经网络效果要好一些。今天我们学习另外一种网络结构RNN，它具有什么特征结构呢？我们来一起学习下，只能说网络种类太多了。

一：RNN的介绍
之前我们学习的BP，CNN都具有一个共同的特点就是，每时每刻的输出都是且仅仅与当前的输入是相关的，不会与之前或者之后某个时刻联合作用，不过对于物体识别，比如字符识别，图像识别这类的没有事件维度上先后顺序的数据来说（独立事件的数据），是完全足够了的，但是对于像语音，文本，视频等一些与时间前后也有联系的数据来说就表现的不那么好，因为，很多事件的数据同样也是受之前或者之后的事件的影响的，比如语言的上下文就是个典型的例子。语言序列的表达，词的含义，就是会受到之前和之后语言环境的影响。

所以呢，RNN就应运而生，它的输入不仅仅考虑了当前的数据输入，还考虑了前面时刻的输入，共同来作用当前时刻的输出，而且当前的时刻的输出不仅仅输出，还可以提供给下一个时刻进行继续参与作用下一时刻的输出，这样的结构使得网络具有了一定的记忆功能。

因此RNN可以被用在，自然语言处理，机器翻译，语音识别，文本相似度计算，视频/隐约推荐等领域。

二：单层RNN的网络结构
这里我们用图示将其画出来，它的结构
相对简单，就是由输出层，隐藏层，输出层组成。这里我先用单层RNN进行描述，请记住这是一个层的RNN，也成为一个RNN Cell。

上图是折叠后的结构，循环的意思也就是来自于此

上图是拆开后结构，这个结构在计算的时候比较清晰。

结构都是一样的，展开后，也就是说所有的参数都是一样的。
我们先写出数学计算公式，也就是前向传播的计算公式，

其中f和g都是激活函数，f一般会选择tanh函数，relu函数，sigmoid函数等激活函数，g通常是softmax函数也可以是其他。

我们需要注意的是，在一次迭代中，也就是所有时刻，这一层的所有权重参数都是一样的，因此图中UVW没有上下标，都是一样的。

接下来我们给出反向传播的计算：我们每一时刻都有一个输出O_t，那么损失函数可以是使用softmax交叉熵损失函数或者是均方差损失函数。每个输出都对应有一个误差E_t，即总误差为：

我们的任务就是通过反向传播来更新求U，V，W。那么依然使用梯度下降来更新吧，即需要求出E对U，V，W的偏导。

1）我们先求对V的偏导吧，因为V只存在于输出层，仅仅与O_t存在函数关系，根据链式法则可得。

2）我们再对W求偏导。根据求导链式法则。


3）我们再对U求偏导，这里跟W其实是类似的，过程是基本一致的，所以就不多说了。
以上求偏导都是思路和大致步骤，没有给出具体的更加细致的数值计算，有兴趣的同学可以自行推导，这个不难的。

三：多层RNN的网络结构

这图是三层RNN神经网络，展开后如下：

上图是展开后的多层RNN的示意图，上标代表层数，下标代表时刻序列，请记住，每一层的参数都是一样的，一般为了简单起见，中间层的输出点，也就是中间层的输出H直接输入到下一层当做输入，中间层暂时不做g函数激活运算，所以稍微变一下就是如下图：

此图的前向传播很明显，由于每一层的参数都是一样的，不同层的参数不一样，推导过程就不多说了，至于反向传播，只要写出了前向传播的公式，确实比单层RNN要复杂一些，篇幅有限，这里也不写了，有兴趣同学们可以自行推导啊。

四：其他RNN的结构
上述我们画的是many-to-many型的RNN，也就是多个输入的数量对应于多个输出的数量，那自然而然也会想到输出数量不等于输出数量的情况，如下图

没错，此图也是截图自男神Andrew Ng的深度学习视频
这里是从输入输出数量的角度来分类不同的类型，它们可能有不同的用处，这里不细讲了，感兴趣的同学可以参考
Andrew 的视频或者其他博文资料，比如：
https://www.cnblogs.com/jimlau/p/13391767.html

下一博文我们将看看其他不同结构的RNN，比如双向RNN和优化后的LSTM，以及GRU，种类还有很多很多，在后面的博文便不再细说了，只会挑几个学习，具体的种类可以参考该博文：
https://blog.csdn.net/qq_35082030/article/details/73368962

五：Pytorch 实践。
最后一章节我门一起学下怎么在Pytorch上实现一个RNN。
实例一：使用RNNCell类操作前向传播
这里就是简单写了一个前向传播的例子，就是看看怎么使用，注意一些关键维度的设置，其他的没有什么的。

import torch

batch_size = 1  # 批量数据的大小，数据的批次
seqence_len = 3 # 一共是多少个时间序列，是指时间的维度。
input_size = 4  # 某一时刻下，输入的X的维度向量，比如这里的4指的是维度是[4, 1]
hidden_size = 2 # 每一层的激活后 h 的维度，比如这里的2指的是维度是[2, 1]

# 默认的激活函数是tanh
cell = torch.nn.RNNCell(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size)

# 自己随便定义的数据，只是为了观察一下前向输出
dataset = torch.randn(seqence_len, batch_size, input_size)
# 初始化h0是全0向量
hidden = torch.zeros(batch_size, hidden_size)
# 每一个时间序列需要自己手动写迭代
for idx, inuput_data in enumerate(dataset):
    print('*' * 20, idx, '*' * 20)
    print('Input size', inuput_data.shape)
    hidden = cell(inuput_data, hidden)
    print('Output size', hidden.shape)
    print(hidden)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

有如下输出：

某一个时刻，这里的输入数据是一个批量大小，也就是1，每个批量下数据是4维的，隐藏层也是一个批量的，每个批量下数据是2维的，和输出output是一致的。
上述实例得到：
Input.shape = (batch_size, input_size)
H_0.shape = (batch_size, hidden_size)

Output.shape = (batch_size, hidden_size)
H_N.shape = (batch_size, hidden_size)

RNNCell在每个时间序列下的hidden值都是自己写循环计算。

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实例二：使用RNN类操作前向传播

上个例子使用的是RNNCell实现的一个前向传播，我们会看到每一个时间序列hidden的数值，都是我们手写的循环，从一个时间序列到下一个时间序列，太麻烦了，于是我们可以使用RNN类来重写一遍，代码如下。

import torch

batch_size = 1  # 批量数据的大小，数据的批次
seqence_len = 3 # 一共是多少个时间序列，是指时间的维度。
input_size = 4  # 某一时刻下，输入的X的维度向量，比如这里的4指的是维度是[4, 1]
hidden_size = 2 # 每一层的激活后 h 的维度，比如这里的2指的是维度是[2, 1]
num_layers = 5   # RNN的层数

# 默认的激活函数是tanh
cell = torch.nn.RNN(input_size=input_size, hidden_size=hidden_size, num_layers=num_layers)

# 自己随便定义的数据，只是为了观察一下前向输出
dataset = torch.randn(seqence_len, batch_size, input_size)
# 初始化h0是全0向量
hidden = torch.zeros(num_layers, batch_size, hidden_size)


# 前向传播，不用自己写循环
out, hidden = cell(dataset, hidden)

print('Output size', out.shape)
print('Output ', out)
print('Hidden size', hidden.shape)
print('Hidden ', hidden)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

有如下输出：

Output Size是3个序列，1个批量，2个维度的值
最后前向传播结束后，最后输出的hidden的是5层，1个批量，2个维度值。需要注意的是，这里需要指定RNN的层数。
上述实例得到：
Input.shape = (sequence_len, batch_size, input_size)
H_0.shape = (num_layers, batch_size, hidden_size)

Output.shape = (sequence_len, batch_size, hidden_size)
H_N.shape = (num_layers, batch_size, hidden_size)

切记后面还有很多种RNN的变种结构，上面也给出了链接，能让我们看到很多不同的RNN结构，详细资料请自行查询了，篇幅实在有限。