關(guān)于RNN和LSTM基礎(chǔ)知識(shí)了解

一、RNN

遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）被提出用來(lái)處理80年代的輸入序列時(shí)間信息。1993年，神經(jīng)歷史壓縮器系統(tǒng)解決了“非常深度學(xué)習(xí)”任務(wù)，該任務(wù)需要及時(shí)展開RNN中的1000多個(gè)后續(xù)層。如圖1所示，在傳統(tǒng)的建?；顒?dòng)（例如前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）中，我們顯然會(huì)看到固定輸入大小到固定輸出大小的固定網(wǎng)絡(luò)。在前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的包圍下，我們得到圖1.b以揭示RNN的可區(qū)分性。

RNN能將輸入動(dòng)態(tài)更改為包含多個(gè)輸入向量，每時(shí)間段一個(gè)，并且每個(gè)向量可以有很多列。

對(duì)于圖2所示的RNN網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)輸入序列為{x1，x2，…xt}，則隱藏層節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)時(shí)間向量為H={ h1，h2，…h(huán)t }，并且輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于Y={ y1，y2…yt }，其中xi ，hi，yi（i=1，2…t）是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)層大的節(jié)點(diǎn)向量。

圖1 前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

圖2 遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）

在普通的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，前向傳播公式如下：

在前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RNN中，前向傳播公式如下：

其中Wxh制是輸入層和隱藏才能夠之間的權(quán)重矩陣，bh是隱藏層的偏差矢量。Why是隱藏層和輸出層之間的權(quán)重矩陣，by是輸出層的偏差矢量。Whh圖是隱藏層上一時(shí)刻與下一時(shí)刻之間的權(quán)重矩陣。σ是sigmoid（）的激活功能。

由于RNN迭代復(fù)用隱藏層，導(dǎo)致RNN可以有效的保留序列的時(shí)間信息。如圖1所示，一般的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是從輸入層到隱藏層再到輸出層，并且每次的輸出都與之前和之后的輸入無(wú)關(guān)。如圖2所示，RNN將在隱藏層中循環(huán)多路復(fù)用，因此它可以有效的保存序列的時(shí)間信息，并且每次輸出的結(jié)果都受到所有先前輸入的影響。

圖3遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

圖4 消失梯度問題

在圖3中，擴(kuò)展了RNN的結(jié)構(gòu)以解釋RNN的隱藏層復(fù)用。除第一層外，RNN還將前一次隱藏層的結(jié)果與最新的輸入一起用作當(dāng)前時(shí)間的輸入，從而影響后續(xù)的結(jié)果，同時(shí)是達(dá)到了保存序列時(shí)間信息的目的。

但是眾所周知，RNN存在“消失梯度問題”。如圖4所示，當(dāng)梯度變得太大或者太小并且難以對(duì)輸入數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)期依賴關(guān)系（10個(gè)時(shí)間步或更多）進(jìn)行建模是就會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。

二、 LSTM

為了克服RNN的“消失梯度問題”，Hochreiter和Schmidhuber于1997年提出了具有RNN架構(gòu)的長(zhǎng)短期記憶（LSTM）網(wǎng)絡(luò)。

如圖5所示，LSTM和其它神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之間的區(qū)別在于其獨(dú)特的LSTM單元。當(dāng)它與LSTM結(jié)合使用時(shí)，在不同時(shí)間階段傳播的LSTM的ht參數(shù)傳輸內(nèi)部存儲(chǔ)器狀態(tài)Ct。盡管LSTM單元有很多改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，但是它們都沒有將模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升。 在圖5中，從左到右的四個(gè)部分是忘記門，輸入門，單元門和輸出門。

圖5 長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)單元

每個(gè)門對(duì)應(yīng)的輸入時(shí)ht-1，xt和它們對(duì)應(yīng)的權(quán)重矩陣。 忘記門負(fù)責(zé)選擇性地忘記存儲(chǔ)在原始單元中的先前狀態(tài)，以避免“消失梯度問題”。 輸入門和單元門的結(jié)果相乘并加到先前的單元Ct-1上。最后，為了計(jì)算當(dāng)前的輸出ht ，我們使用了當(dāng)前的單元門結(jié)果與出出門結(jié)果。使用到的相關(guān)公式如下：

Ft、It、Ct和Ot分別是四個(gè)門各自的輸出結(jié)果。W是從相應(yīng)的輸入到對(duì)應(yīng)的門。例如，Wxy是相應(yīng)的輸入層到斜門的權(quán)重，并且Whi從上一刻就隱藏了起來(lái)。從層到輸入門的權(quán)重bf，bi，bc和bo是四個(gè)門的偏置矢量，⊙是兩個(gè)矢量或矩陣點(diǎn)乘法。σ和tanh（）是常用的激活函數(shù)。