一文看懂RNN

为什么需要RNN?

既然我们已经有了人工神经网络和卷积神经网络，为什么还要循环神经网络？

这是一般的神经网络应该有的结构：

无论是卷积神经网络，还是人工神经网络，他们的前提假设都是：元素之间是相互独立的，输入与输出也是独立的，比如：给一个图片 识别出来是一个 猫 第二张图片识别一个 兔子 第一个图片 和第二个图片没有必然关系 是独立的。

我们说话是要根据上下文的信息推理一些东西：

一个人说了：我喜欢旅游，其中最喜欢的地方是云南，以后有机会一定要去__________.这里填空，人应该都知道是填“云南“。因为我们是根据上下文的内容推断出来的，但机器要做到这一步就相当得难了。因此，就有了现在的循环神经网络，他的本质是：像人一样拥有记忆的能力。因此，他的输出就依赖于当前的输入和记忆。

记忆在机器里面存储

经典RNN

在学习RNN之前，首先要了解一下最基本的单层网络，它的结构如图：

在实际应用中，我们还会遇到很多序列形的数据：

如：

自然语言处理问题。x1可以看做是第一个单词，x2可以看做是第二个单词，依次类推。
语音处理。此时，x1、x2、x3……是每帧的声音信号。
时间序列问题。例如每天的股票价格等等

序列形的数据就不太好用原始的神经网络处理了。为了建模序列问题，RNN引入了隐状态h（hidden state）的概念，h可以对序列形的数据提取特征，接着再转换为输出。先从h1的计算开始看：

图示中记号的含义是：

圆圈或方块表示的是向量。
一个箭头就表示对该向量做一次变换。如上图中h0和x1分别有一个箭头连接，就表示对h0和x1各做了一次变换。
在很多论文中也会出现类似的记号，初学的时候很容易搞乱，但只要把握住以上两点，就可以比较轻松地理解图示背后的含义。

h2的计算和h1类似。要注意的是，在计算时，每一步使用的参数U、W、b都是一样的，也就是说每个步骤的参数都是共享的，这是RNN的重要特点，一定要牢记。

依次计算剩下来的（使用相同的参数U、W、b）
我们这里为了方便起见，只画出序列长度为4的情况，实际上，这个计算过程可以无限地持续下去。

我们目前的RNN还没有输出，得到输出值的方法就是直接通过h进行计算

正如之前所说，一个箭头就表示对对应的向量做一次类似于f(Wx+b)的变换，这里的这个箭头就表示对h1进行一次变换，得到输出y1。

剩下的输出类似进行（使用和y1同样的参数V和c）：

变形如下：

RNN 各种结构

N VS 1

有的时候，我们要处理的问题输入是一个序列，输出是一个单独的值而不是序列，应该怎样建模呢？实际上，我们只在最后一个h上进行输出变换就可以了：

这种结构通常用来处理序列分类问题。如输入一段文字判别它所属的类别，输入一个句子判断其情感倾向，输入一段视频并判断它的类别等等。

1 VS N

输入不是序列而输出为序列的情况怎么处理？我们可以只在序列开始进行输入计算：

还有一种结构是把输入信息X作为每个阶段的输入

这种1 VS N的结构可以处理的问题有：

1. 从图像生成文字（image caption），此时输入的X就是图像的特征，而输出的y序列就是一段句子
2. 从类别生成语音或音乐等

N VS M

下面我们来介绍RNN最重要的一个变种：N vs M。这种结构又叫Encoder-Decoder模型，也可以称之为Seq2Seq模型。

原始的N vs N RNN要求序列等长，然而我们遇到的大部分问题序列都是不等长的，如机器翻译中，源语言和目标语言的句子往往并没有相同的长度。

为此，Encoder-Decoder结构先将输入数据编码成一个上下文向量c：

得到c有多种方式，最简单的方法就是把Encoder的最后一个隐状态赋值给c，还可以对最后的隐状态做一个变换得到c，也可以对所有的隐状态做变换

拿到c之后，就用另一个RNN网络对其进行解码，这部分RNN网络被称为Decoder。具体做法就是将c当做之前的初始状态h0输入到Decoder中：

还有一种做法是将c当做每一步的输入：

由于这种Encoder-Decoder结构不限制输入和输出的序列长度，因此应用的范围非常广泛，比如：

机器翻译。Encoder-Decoder的最经典应用，事实上这一结构就是在机器翻译领域最先提出的
文本摘要。输入是一段文本序列，输出是这段文本序列的摘要序列。
阅读理解。将输入的文章和问题分别编码，再对其进行解码得到问题的答案。
语音识别。输入是语音信号序列，输出是文字序列。

Attention机制

在Encoder-Decoder结构中，Encoder把所有的输入序列都编码成一个统一的语义特征c再解码，因此， c中必须包含原始序列中的所有信息，它的长度就成了限制模型性能的瓶颈。如机器翻译问题，当要翻译的句子较长时，一个c可能存不下那么多信息，就会造成翻译精度的下降。

Attention机制通过在每个时间输入不同的c来解决这个问题，下图是带有Attention机制的Decoder

整体图：

将 Decoder 部分单拿出来:

以机器翻译为例（将中文翻译成英文）：

a3j 的计算：

参考文献：

https://blog.youkuaiyun.com/xierhacker/article/details/73384760
https://zhuanlan.zhihu.com/p/28054589
https://zhuanlan.zhihu.com/p/43493999