圖解 RNN(循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)) 背后的數(shù)學(xué)原理

0引言

這篇文章的目的是對循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能、結(jié)構(gòu)提供一個直觀的認(rèn)識。

一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常取自變量 （或一組自變量）和因變量 ，然后它學(xué)習(xí) 和 之間的映射（我們稱之為訓(xùn)練），一旦訓(xùn)練完成，當(dāng)給定一個新的自變量，就能預(yù)測相應(yīng)的因變量。

但如果數(shù)據(jù)的順序很重要呢？想象一下，如果所有自變量的順序都很重要呢?

讓我來直觀地解釋一下吧。

只要假設(shè)每個螞蟻是一個獨(dú)立變量，如果一個螞蟻朝著不同的方向前進(jìn)，對其他螞蟻來說都沒關(guān)系，對吧？但是，如果螞蟻的順序很重要怎么辦？

此時(shí)，如果一只螞蟻錯過或者離開了群體，它將會影響到后面的螞蟻。

那么，在機(jī)器學(xué)習(xí)空間中，哪些數(shù)據(jù)的順序是重要的呢?

• 自然語言數(shù)據(jù)的詞序問題
• 語音數(shù)據(jù)
• 時(shí)間序列數(shù)據(jù)
• 視頻/音樂序列數(shù)據(jù)
• 股市數(shù)據(jù)
• 等等

那么 RNN 是如何解決整體順序很重要的數(shù)據(jù)呢？我們用自然文本數(shù)據(jù)為例來解釋 RNN。

假設(shè)我正在對一部電影的用戶評論進(jìn)行情感分析。

從這部電影好（This movie is good） — 正面的，再到這部電影差（This movie is bad） — 負(fù)面的。

我們可以通過使用簡單的詞匯袋模型對它們進(jìn)行分類，我們可以預(yù)測（正面的或負(fù)面的），但是等等。

如果影評是這部電影不好（This movie is not good），怎么辦?

BOW 模型可能會說這是一個積極的信號，但實(shí)際上并非如此。而 RNN 理解它，并預(yù)測它是消極的信息。

1RNN 如何做到的呢?

1各類 RNN 模型

1、一對多

RNN 接受一個輸入，比如一張圖像，并生成一個單詞序列。

2、多對一

RNN 接受一個單詞序列作為輸入，并生成一個輸出。

3、多對多

接下來，我們正專注于第二種模式多對一。RNN 的輸入被視為時(shí)間步長。

示例: 輸入(X) = [" this ", " movie ", " is ", " good "]

this 的時(shí)間戳是 x(0)，movie 的是 x(1)，is 的是 x(2)，good 的是 x(3)。

2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及數(shù)學(xué)公式

下面讓我們深入到 RNN 的數(shù)學(xué)世界。

首先，讓我們了解 RNN 單元格包含什么！我希望并且假設(shè)大家知道前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)FNN 的概括，

在前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，我們有 X（輸入）、H（隱藏）和 Y（輸出）。我們可以有任意多的隱藏層，但是每個隱藏層的權(quán)值 W 和每個神經(jīng)元對應(yīng)的輸入權(quán)值是不同的。

上面，我們有權(quán)值 Wy10 和 Wy11，分別對應(yīng)于兩個不同的層相對于輸出 Y 的權(quán)值，而 Wh00、Wh01 等代表了不同神經(jīng)元相對于輸入的不同權(quán)值。

由于存在時(shí)間步長，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元包含一組前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有順序輸入、順序輸出、多時(shí)間步長和多隱藏層的特點(diǎn)。

與 FFNN 不同的是，這里我們不僅從輸入值計(jì)算隱藏層值，還從之前的時(shí)間步長值計(jì)算隱藏層值。對于時(shí)間步長，隱藏層的權(quán)值（W）是相同的。下面展示的是 RNN 以及它涉及的數(shù)學(xué)公式的完整圖片。

在圖片中，我們正在計(jì)算隱藏層的時(shí)間步長 t 的值:

• 是之前的時(shí)間步長。我說過 W 對所有時(shí)間步長來說都是一樣的。激活函數(shù)可以是 Tanh、Relu、Sigmoid 等。

上面我們只計(jì)算了 Ht，類似地，我們可以計(jì)算所有其他的時(shí)間步長。

步驟:

• 1、從 和 計(jì)算?

• 2、由 和 計(jì)算?

• 3、從 、、 和 計(jì)算?

• 4、由 和 計(jì)算 ，依此類推。

需要注意的是:

• 1、 和 是權(quán)重向量，每個時(shí)間步長都不同。

• 2、我們甚至可以先計(jì)算隱藏層（所有時(shí)間步長），然后計(jì)算 值。

• 3、權(quán)重向量一開始是隨機(jī)的。

一旦前饋輸入完成，我們就需要計(jì)算誤差并使用反向傳播法來反向傳播誤差，我們使用交叉熵作為代價(jià)函數(shù)。

2BPTT（時(shí)間反向傳播）

如果你知道正常的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何工作的，剩下的就很簡單了，如果不清楚，可以參考本號前面關(guān)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的文章。

我們需要計(jì)算下面各項(xiàng)，

• 1、相對于輸出（隱藏和輸出單元）的總誤差如何變化？
• 2、相對于權(quán)重（U, V, W）的輸出如何變化？

因?yàn)?W 對于所有的時(shí)間步長都是一樣的，我們需要返回到前面，來進(jìn)行更新。

記住 RNN 的反向傳播和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播是一樣的，但是這里的當(dāng)前時(shí)間步長是基于之前的時(shí)間步長計(jì)算的，所以我們必須從頭到尾遍歷來回。

如果我們運(yùn)用鏈?zhǔn)椒▌t，就像這樣

在所有時(shí)間步長上的 W 都相同，因此按鏈?zhǔn)椒▌t展開項(xiàng)越來越多。

在 Richard Sochers 的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)講座幻燈片^[1]中，可以看到一種類似但不同的計(jì)算公式的方法。

• 類似但更簡潔的 RNN 公式:

• 總誤差是各時(shí)間步長 t 對應(yīng)誤差的總和:

• 鏈?zhǔn)椒▌t的應(yīng)用:

所以這里， 與我們的 相同。

、、 可以用任何優(yōu)化算法來更新，比如梯度下降法。

2回到實(shí)例

現(xiàn)在我們回過頭來談?wù)勎覀兊那楦蟹治鰡栴}，這里有一個 RNN，

我們給每個單詞提供一個詞向量或者一個熱編碼向量作為輸入，并進(jìn)行前饋和 BPTT，一旦訓(xùn)練完成，我們就可以給出新的文本來進(jìn)行預(yù)測。它會學(xué)到一些東西，比如不+積極的詞 = 消極的。

RNN 的問題 → 消失/爆炸梯度問題

由于 W 對于所有的時(shí)間步長都是一樣的，在反向傳播過程中，當(dāng)我們回去調(diào)整權(quán)重時(shí)，信號會變得要么太弱要么太強(qiáng)，從而導(dǎo)致要么消失要么爆炸的問題。為了避免這種情況，我們使用 GRU 或 LSTM，將在后續(xù)文章中介紹。

?參考資料?