循环神经网络（RNN）入门介绍

循环神经⽹络是为更好地处理时序信息而设计的。它引⼊状态变量来存储过去的信息，并⽤其与当前的输⼊共同决定当前的输出。
循环神经⽹络常⽤于处理序列数据，如⼀段⽂字或声⾳、购物或观影的顺序，甚⾄是图像中的⼀⾏或⼀列像素。因此，循环神经⽹络有着极为⼴泛的实际应⽤，如语⾔模型、⽂本分类、机器翻译、语⾳识别、图像分析、⼿写识别和推荐系统。

1.引入

对于2句话，都有Taipei这个词，但是一个是目的地，一个是出发地

如果神经网络有记忆力，能够根据上下文对同样的input词汇产生不同的输出，我们就能解决这个问题

像下面两句话，同样输入Taipei，一个输出“目的地”，一个输出“出发地”

arrive Taipei on November 

leave Taipei on November 

2.RNN

Recurrent Neural Network（RNN）就是一个有记忆的神经网络，在隐藏层中的每个隐藏单元产生Output的时候，都会存到Memory中

下一次，当有input的时候，这个隐藏单元不仅会考虑input的值，还会考虑存在memory中的值

2.1例子

下面举一个例子，假设图中的RNN的所有weight都是1，没有bias，激活函数都是linear

我们的input是一个下图中的sequence

在我们使用练RNN的时候，我需要先要给memory初始值，比如这里的 0 0

现在输入[1, 1]，隐藏单元还会考虑内存中的0,0，因为我们weight都是1，所以隐藏层神经元的都是 0 + 0 + 1 + 1 =2

由于权重都是1，所以这时候网络的输出是[4, 4]

另外，刚刚隐藏层的输出[2,2]还会被存到memory中去

这时候如果我们的输入是[1,1]，隐藏层的输出就变为了[6, 6]。因为memory中存着[2,2]，输入是[1,1]，权重都为1，所以每一个隐藏层神经元的输出为1 + 1 + 2 + 2 = 6

这时候网络的输出是[12, 12]。可以看到如果memory中的值不一样，我们同样的输入会产生不同的输出。

当我们的输入是[2,2]的时候，memory中的值是[6,6]，跟前面的步骤一样，我们可以得到输出是[32, 32]。我们输入sequence的输出结果如下

调换输入sequence中的顺序，我的输出也会不一样，即RNN考虑了输入sequence的顺序

2.2例子

让我们回到一开始讲的两句话，看看RNN是怎么识别Taipei的不同含义（目的地or出发地）

arrive Taipei on November 

leave Taipei on November 

首先，网络接收第一个单词（arrive）的输入，经过网络得到一个输出，并保存隐藏层的输出。

然后接收第二个单词（Taipei）的输入，经过网络得到输出，……，用同样的网络结构不断重复这个行为

所以当两句不同的话输入的时候，一个Taipei前面是leave，一个是arrive，而这两个的vector是不一样的，所以存在memory中的值不同，这样就会得到不同的输出

更一般地，我们的网络可以不止有一个隐藏层，而是有许多个隐藏层，每个单词输入的时候，各个隐藏层都会考虑之前存在memory中的值

2.3两种RNN

我们前面看到的RNN是隐藏层的输出存起来，当下一个sequence输入的时候，再读取来，这个是Elman Network

还有另一种RNN——Jordan Network，它把网络的整个输出存到memory中，下一个sequence输入时再读出来

隐藏层是没有target，而output有，所以Jordan Network一般会有比较好的表现

2.4双向RNN（bidirectional RNN）

我们的RNN可以是双向的，我们输入一个句子的时候，它会从句首读到句尾，但读取的方向可以反过来，从句尾读到句首，如上图中第一个结构。

我们可以同时训练一个正向的RNN和一个逆向的RNN，把这两个RNN的隐藏层输出拿出来，接给一个输出层

用双向RNN的好处是网络可以学习到更多的上下文信息，正向或者反向RNN能学习到的内容有限，只能学习到一半的信息

3LSTM

3.1原理

Long Short-Term Memory（LSTM），长短期记忆网络。

前面提到的Memory是最单纯的，我们随时可以把值存到Memory中去，也可以随时把值从中读出来。

但LSTM不是这样，它有3个gate：

• 1）input gate
• 2）ouput gate
• 3）forget gate

当网络中的其他部分的output想要写入memory中的时候，需要通过一个input gate，input gate打开的时候才能够把值写到里面，如果Input gate是关闭的，那么就不能把值写到里面。这个input gate是打开还是关闭是由网络自己学习的，学习什么时候打开input gate，什么时候关闭。

输出的地方也有一个output gate，这个这个output gate决定外界能否从memory中读取值。跟input gate一样，output gate的开关也由网络自己学习。

forget gate决定什么时候memory cell要把memory中的内容忘掉，这个也由网络自己学习

整个网络的结构如下图所示，我们可以把LSTM看成有4个输入，1个输出的特殊神经网络。这4个值分别是

• 想存进memory的值
• 操控input gate的信号
• 操控output gate的信号
• 操控forget gate的信号

下面是LSTM更详细的结构

其中

• $z$ 是要存到memory中的输入
• $z_{i}$ 是操控input gate的信号，是一个数值
• $z_{f}$ 是操控forget gate的信号，是一个数值
• $z_{o}$ 是操控output gate的信号，是一个数值
• $a$ 是输出
• memory cell中的初始值是$c$

4个输入经过gate的时候常用的激活函数是 sigmoid，因为它的值在0到1之间，1代表gate打开，0代表关闭。

下面我们看看网络是怎么输入输出的，首先 $z_{i}$ 和 $z$ 经过神经元得到$g(z)$和$f(z_{i})$，将两者相乘

$z_{f}$ 经过神经元得到 $f(z_{f})$ ，取出memory中的值$c$，相乘得到$cf(z_{f})$

然后将上面得到的两个相乘的结果相加，得到$c'$。$c'$就是新的要存入memory中的值

从上面的式子可以看到，$f(z_{i})$是控制$g(z)$能否输入的关卡，$f(z_{f})$是控制是否取出memory中的值

如果$f(z_{i})$为0，那么它们相乘为0，跟没有输入是一样的，如果$f(z_{i})$是1，那么相乘会得到$g(z)$本身

$f(z_{f})$是也是同样的工作原理，如果$f(z_{f})$是1，那么$c$会通过，表示之前存的值还是记得。如果$f(z_{f})$是0，那么相乘得到0，相当于之前的值不记得

可以看出，forget gate打开代表记得，关闭代表忘记

接着$c'$通过$h$，得到$h(c')$，让$f(z_{o})$和$h(c')$相乘，得到输出

原理也是一样的，$f(z_{o})$是1，等于$h(c')$可以通过output gate，否则为0，存在memory中的值无法读取出来

3.2例子

假设我们的网络有以下性质：

现在的网络只有一个memory cell，我们的input都是3维的vector，输出都是1维的vector。

当$x_{2}$中的值为1时，$x_{1}$中的值就会被写到memory中

当$x_{2}$中的值为-1时，memory中的值就会被遗忘

当$x_{3}$中的值为1时，我们的output gate才会输出

memory中的初始值为0

那么根据网络的性质，我们可以得到的输出和memory中的值如下图所示，其中蓝色方块代表memory中的值

具体地来看，假设我们网络的weight如下图，4个输入都由我们输入的向量乘上weight再加上bias得到。

假设网络中$g$和$h$现在是linear激活函数，我们输入[3,1,0]时，根据我们刚刚介绍的过程，网络的输入输出过程如下图所示

输入[4,1,0]和[2,0,0]时，结果如下图所示，网络依然没有输出

当输入[1,0,1]的时候，output gate 的值是1，所以memory中的值会取出。输入是[3,-1,0]的时候，forget gate的值是0，memory中的内容会被忘记

3.3LSTM结构

我们上面谈到的LSTM，其实可以变成下面这种形式

但是通常LSTM并不是这样的，它还会把输出作为下一个输入的一部分，还会加一个“peephole”，它会把存在memory中的值也作为下一个输入的一部分。

LSTM通常也不会有一层，可能会有多层

下面我们看看这种LSTM结构是如何计算的，它可以简化成下面这种形式，它有3个输入，分别是$x^{t}$、$c^{t-1}$、$h^{t-1}$。

这时候我们的3个输入分别乘以各自的权重，其中$c^{t-1}$的权重矩阵是对角矩阵，这是为了减少训练的参数。

像前面介绍的LSTM一样，我们其他门的输入如下图所示，各部分的的权重矩阵是不一样的，

memory cell 中要存入的内容如下，$\odot $是 element wise 乘法（对应元素相乘）。

输出的$h^{t}$和$y^{t}$如下

最终我们得到的 LSTM 的一个 block 就像下面的样子

3.4GRU

表现上看，GRU会输入一个$h^{t-1}$，输出一个$h^{t}$，输入一个$x^{t}$，输出一个$y^{t}$。看起来很像RNN，其实它更像LSTM。GRU里面这个$h^{t}$的作用更像是LSTM中$c^{t}$的作用。GRU中我们可以看作是 forget gate 和 input gate 是联动的LSTM，一个开另一个就要关。

GRU（gated recurrent unit）门控循环单元，它引入了reset gate（重置门）和update gate（更新门）的概念，类似LSTM。

相较于LSTM，它只有2个gate，所以它的参数量比较少，它的思想是：旧的不去，新的不来。要把 memory 中的值清掉，才能放进新的值。
重置门的输入包括当前时间的输入$X_{t}$和 memory 中的值$H_{t-1}$，经过 sigmoid 激活函数得到输出$R_{t}$和$Z_{t}$。

重置门和更新门的计算公式如下，其中$W$是weight

然后我们让重置门的输出$R_{t}$ 与 memory 中的值$H_{t-1}$相乘，如果结果是0，则将 memory 中的值重置为0。

跟LSTM中一样，输入$X_{t}$跟权重$W_{xh}$相乘，然后把这个结果跟上面相乘的结果相加。

得到一个候选值$\tilde{H_{t}}$，其中内容是：

从上⾯这个公式可以看出，重置门控制了上⼀时间步的 memory 如何流⼊当前时间步的候选值。

上⼀时间步的 memory 可能包含了时间序列截⾄上⼀时间步的全部历史信息。因此，重置⻔可以⽤来丢弃与预测⽆关的历史信息。

然后用当前更新门$Z_{t}$来对上⼀时间步的 memory $H_{t-1}$和当前时间步的候选值$\tilde{H_{t}}$做组合，得到新的要存入 memory 中的值：

更新门$Z_{t}$取值为0的时候，新的 memory 只跟候选值有关，而候选值又是经过激活函数$tanh$输出的，所以在-1和1之间。

当更新门$Z_{t}$为1的时候，新 memory 同等于上一时间点的 memory ，即不执行更新操作。

如果更新门$Z_{t}$在$t'$和$t$（$t'$ < $t$）之间一直是1，那么$t'$到$t$之间输入的信息几乎没有流入 memory 中，一直保持较早的memory。

4.RNN网络学习过程

4.1损失函数

我们训练网络的时候，我们需要定义一个损失函数。在RNN中，我们需要怎么定义损失函数？

假设我们现在要做slot filling，我们会有训练数据，数据是一些sentence，然后需要给sentence一些label，告诉我们不同的词属于不同的slot

然后把单词输入到网络中，RNN会得到一个输出$y^{1}$，接下来这个$y^{1}$会和一个 reference vector 算它的 cross entropy 。

当我们输入是单词arrive的时候，$y^{1}$应该跟“other”对应的reference vector距离越近越好，这个reference vector的长度就是我们slot的数目，后面输入的单词同理。

我们损失函数就是：每一个时间点的RNN的output跟 reference vector 的 cross entropy ，这就是我们要优化的函数。

4.2训练过程

训练也是使用梯度下降来更新参数，我们已经有了损失函数，我们要更新网络中某个参数$w$的公式如下

但是为了计算方便，开发了一套算法，这套算法是BackPropagation（反向传播）的进阶版，叫做BackPropagation through time（BPTT）

它跟BackPropagation是很类似的，只是RNN在time sequence上做运算，所以需要考虑时间的信息

RNN的训练是比较困难的，一般我们都希望我们的学习曲线像下图中的蓝色曲线一样，但我们训练RNN的时候，有时候会看到绿色这条线，训练曲线剧烈抖动。

这是因为RNN的error surface（total loss对参数的变化）对参数的变化是非常崎岖的，error surface有些地方很平坦，有些地方很陡峭。

如下图我们，假设我们的起始位置是左下方的橙色点，第一次更新参数让我的 loss 上升，来到右边的橙色点

第二次更新参数的时候，我们的学习率刚好让我们来到了左上方的橙色点，这时候loss就突然增加

可以用Clipping解决这一问题，当梯度大于某个阈值的时候，就不要让梯度等于阈值

在RNN中，激活函数使用ReLU的表现通常比sigmoid差

那为什会这样？我们可以用一个直观的例子来看梯度的大小是怎么样的：就是我们把某一个参数做小小的变化，看网络的输出变化有多大。就能测出这个参数梯度的大小。

比如下面这个例子：

我们有一个简单的RNN，输入输出的weight都是1，memory接到隐层单元的weight是$w$，隐层单元激活函数是linear，假设我们输入[1,0,...,0]，那我们的输出是$w^{999}$。

我们改变$w$的值，对网络的输出有多大影响，假设此时$w$为1，那么$w$增加0.1，网络的输出会增加特别多，所以$w$在1的地方特别大的梯度

如果我们的学习率设小，可以弥补这种缺陷吗？我们来看一下$w$为0.99和0.1的情况，可以发现输出都是0，说明在0.99的地方梯度变得很小。

所以学习率的设置不能改变这种局面，因为我们的梯度时大时小。

RNN训练的问题在于：RNN把同样的东西在 transition 的时候反复使用，即memory接到隐藏层的权重$w$。

有什么技巧可以帮助我们解决RNN的这一问题？

• LSTM可以解决梯度消失的问题，但不能解决梯度爆炸的问题。所以我们可以把学习率设置小一点。
  • 跟普通 RNN 相比，LSTM 在处理 memory 中的操作是不一样的。RNN中每个时间点都会更新memory中的值。LSTM中，它将 memory 乘上一个值再和输入相加的放到memory cell中。
  • RNN中如果memory中的值清零了，那weight的影响就不存在了。weight 如果影响 LSTM中 memory 的值的话，这个影响会一直持续到 memory 中的内容被忘掉。一般我们需要给 forget gate 一个较大的 bias，让它在少数情况下才会清零。

5.RNN的输入和输出形式

One to One：输入和输出都是一个vector。

One to Many：输入是vector，输出是vector sequence

Many to One：输入是一个vector sequence，输出是一个vector。比如情感分析，输出哪些文章是正类，哪些是负类；比如文档关键词提取；

Many to Many：输入输出都是vector sequence。输出sequence比输入sequence少的例子：比如语音识别任务，输入是声音信号（每隔一小段时间用vector表示），输出是character sequence。通常是好多个vector对应到一个character。

6.Sqe2Seq简介

要理解word sequence的含义，单词在句子的位置信息是不能忽略的。下面两句话有同样的单词，但单词的位置不同，含义也完全相反

但是如果用 bag-of-word 来描述的话，它们是完全一样的。

我们可以用Seq2Seq Auto-encoder 来考虑 word sequence 有顺序的情况，把一个 document 变成一个 vector

我们输入一个word sequence，通过一个RNN，把它变成一个embedding vector，再把这个 embedding vector 当做 Decoder 的输入，让 Decoder 造回一个一模一样的句子。

如果RNN可以做到这一件事，那么 encoder 的这个 vector 就代表 input sequence 里面重要的信息。所以 Decoder 才能根据 Encoder 的 vector，把这个序列 decode 回来。

训练Seq2Seq我们不需要labeled data，只需要有大量的文章，然后输入到网络中。

它也可以是 hierarchy 结构，我们先得到每个句子的vector，然后把这些vector加起来，变成一整个 document higher-level 的 vector。再用这个higher-level  vector产生一串 sentence vector，再根据每一个 sentence  vector解回 word sequence。