RNN(循环神经网络)

本文深入探讨了循环神经网络(RNN)的原理与应用,包括模型结构、前向与反向传播算法,以及其在自然语言处理领域的独特优势。


DNN的特例CNN的模型和前向反向传播算法,这些算法都是前向反馈的,模型的输出和模型本身没有关联关系。今天我们就讨论另一类输出和模型间有反馈的神经网络:循环神经网络(Recurrent Neural Networks ,以下简称RNN),它广泛的用于自然语言处理中的语音识别,手写书别以及机器翻译等领域。

RNN概述

在前面讲到的DNN和CNN中,训练样本的输入和输出是比较的确定的。但是有一类问题DNN和CNN不好解决,就是训练样本输入是连续的序列,且序列的长短不一,比如基于时间的序列:一段段连续的语音,一段段连续的手写文字。这些序列比较长,且长度不一,比较难直接的拆分成一个个独立的样本来通过DNN/CNN进行训练。

而对于这类问题,RNN则比较的擅长。那么RNN是怎么做到的呢?RNN假设我们的样本是基于序列的。比如是从序列索引1到序列索引τ的。对于这其中的任意序列索引号t,它对应的输入是对应的样本序列中的x(t)。而模型在序列索引号t位置的隐藏状态h(t),则由x(t)和在t−1位置的隐藏状态h(t−1)共同决定。在任意序列索引号t,我们也有对应的模型预测输出o(t)。通过预测输出o(t)和训练序列真实输出y(t),以及损失函数L(t),我们就可以用DNN类似的方法来训练模型,接着用来预测测试序列中的一些位置的输出。

下面我们来看看RNN的模型。

RNN模型

RNN模型有比较多的变种,这里介绍最主流的RNN模型结构如下:
    在这里插入图片描述
    上图中左边是RNN模型没有按时间展开的图,如果按时间序列展开,则是上图中的右边部分。我们重点观察右边部分的图。

这幅图描述了在序列索引号t附近RNN的模型。其中:

1) x ( t ) x^{(t)} x(t)代表在序列索引号t时训练样本的输入。同样的, x ( t − 1 ) x^{(t-1)} x(t1) x ( t + 1 ) x^{(t+1)} x(t+1)代表在序列索引号t−1和t+1时训练样本的输入。

2) h ( t ) h^{(t)} h(t)代表在序列索引号t时模型的隐藏状态。 h ( t ) h^{(t)} h(t) x ( t ) x^{(t)} x(t) h ( t − 1 ) h^{(t-1)} h(t1)共同决定。

3) o ( t ) o^{(t)} o(t)代表在序列索引号t时模型的输出。 o ( t ) o^{(t)} o(t)只由模型当前的隐藏状态 h ( t ) h^{(t)} h(t)决定。

4)L(t)代表在序列索引号t时模型的损失函数。

5)y(t)代表在序列索引号t时训练样本序列的真实输出。

6)U,W,V这三个矩阵是我们的模型的线性关系参数,它在整个RNN网络中是共享的,这点和DNN很不相同。 也正因为是共享了,它体现了RNN的模型的“循环反馈”的思想。

RNN前向传播算法

有了上面的模型,RNN的前向传播算法就很容易得到了。

对于任意一个序列索引号t,我们隐藏状态 h ( t ) h^{(t)} h(t) x ( t ) x^{(t)} x(t) h ( t − 1 ) h^{(t-1)} h(t1)得到:
h ( t ) = σ ( z ( t ) ) = σ ( U x ( t ) + W h ( t − 1 ) + b ) h^{(t)} = \sigma(z^{(t)}) = \sigma(Ux^{(t)} + Wh^{(t-1)} +b ) h(t)=σ(z(t))=σ(Ux(t)+Wh(t1)+b)
    其中σ为RNN的激活函数,一般为tanh, b为线性关系的偏倚。

序列索引号t时模型的输出o(t)的表达式比较简单:
o ( t ) = V h ( t ) + c o^{(t)} = Vh^{(t)} +c o(t)=Vh(t)+c
    在最终在序列索引号t时我们的预测输出为:
y ^ ( t ) = σ ( o ( t ) ) \hat{y}^{(t)} = \sigma(o^{(t)}) y^(t)=σ(o(t))
    通常由于RNN是识别类的分类模型,所以上面这个激活函数一般是softmax。

通过损失函数L(t),比如对数似然损失函数,我们可以量化模型在当前位置的损失,即 y ^ ( t ) \hat{y}^{(t)} y^(t) y ( t ) y^{(t)} y(t)的差距。

RNN反向传播算法推导

有了RNN前向传播算法的基础,就容易推导出RNN反向传播算法的流程了。RNN反向传播算法的思路和DNN是一样的,即通过梯度下降法一轮轮的迭代,得到合适的RNN模型参数U,W,V,b,c。由于我们是基于时间反向传播,所以RNN的反向传播有时也叫做BPTT(back-propagation through time)。当然这里的BPTT和DNN也有很大的不同点,即这里所有的U,W,V,b,c在序列的各个位置是共享的,反向传播时我们更新的是相同的参数。

为了简化描述,这里的损失函数我们为交叉熵损失函数,输出的激活函数为softmax函数,隐藏层的激活函数为tanh函数。

对于RNN,由于我们在序列的每个位置都有损失函数,因此最终的损失L为:
L = ∑ t = 1 τ L ( t ) L = \sum\limits_{t=1}^{\tau}L^{(t)} L=t=1τL(t)
    其中V,c,的梯度计算是比较简单的:
∂ L ∂ c = ∑ t = 1 τ ∂ L ( t ) ∂ c = ∑ t = 1 τ y ^ ( t ) − y ( t ) \frac{\partial L}{\partial c} = \sum\limits_{t=1}^{\tau}\frac{\partial L^{(t)}}{\partial c} = \sum\limits_{t=1}^{\tau}\hat{y}^{(t)} - y^{(t)} cL=t=1τcL(t)=t=1τy^(t)y(t)
∂ L ∂ V = ∑ t = 1 τ ∂ L ( t ) ∂ V = ∑ t = 1 τ ( y ^ ( t ) − y ( t ) ) ( h ( t ) ) T \frac{\partial L}{\partial V} =\sum\limits_{t=1}^{\tau}\frac{\partial L^{(t)}}{\partial V} = \sum\limits_{t=1}^{\tau}(\hat{y}^{(t)} - y^{(t)}) (h^{(t)})^T VL=t=1τVL(t)=t=1τ(y^(t)y(t))(h(t))T
但是W,U,b的梯度计算就比较的复杂了。从RNN的模型可以看出,在反向传播时,在在某一序列位置t的梯度损失由当前位置的输出对应的梯度损失和序列索引位置t+1时的梯度损失两部分共同决定。对于W在某一序列位置t的梯度损失需要反向传播一步步的计算。我们定义序列索引t位置的隐藏状态的梯度为:
δ ( t ) = ∂ L ∂ h ( t ) \delta^{(t)} = \frac{\partial L}{\partial h^{(t)}} δ(t)=h(t)L
    这样我们可以像DNN一样从 δ ( t + 1 ) \delta^{(t+1)} δ(t+1)递推 δ ( t ) \delta^{(t)} δ(t)
δ ( t ) = ( ∂ o ( t ) ∂ h ( t ) ) T ∂ L ∂ o ( t ) + ( ∂ h ( t + 1 ) ∂ h ( t ) ) T ∂ L ∂ h ( t + 1 ) = V T ( y ^ ( t ) − y ( t ) ) + W T d i a g ( 1 − ( h ( t + 1 ) ) 2 ) δ ( t + 1 ) \delta^{(t)} =(\frac{\partial o^{(t)}}{\partial h^{(t)}} )^T\frac{\partial L}{\partial o^{(t)}} + (\frac{\partial h^{(t+1)}}{\partial h^{(t)}})^T\frac{\partial L}{\partial h^{(t+1)}} = V^T(\hat{y}^{(t)} - y^{(t)}) + W^Tdiag(1-(h^{(t+1)})^2)\delta^{(t+1)} δ(t)=(h(t)o(t))To(t)L+(h(t)h(t+1))Th(t+1)L=VT(y^(t)y(t))+WTdiag(1(h(t+1))2)δ(t+1)
    对于δ(τ),由于它的后面没有其他的序列索引了,因此有:
δ ( τ ) = ( ∂ o ( τ ) ∂ h ( τ ) ) T ∂ L ∂ o ( τ ) = V T ( y ^ ( τ ) − y ( τ ) ) \delta^{(\tau)} =( \frac{\partial o^{(\tau)}}{\partial h^{(\tau)}})^T\frac{\partial L}{\partial o^{(\tau)}} = V^T(\hat{y}^{(\tau)} - y^{(\tau)}) δ(τ)=(h(τ)o(τ))To(τ)L=VT(y^(τ)y(τ))
    有了δ(t),计算W,U,b就容易了,这里给出W,U,b的梯度计算表达式:
∂ L ∂ W = ∑ t = 1 τ d i a g ( 1 − ( h ( t ) ) 2 ) δ ( t ) ( h ( t − 1 ) ) T \frac{\partial L}{\partial W} = \sum\limits_{t=1}^{\tau}diag(1-(h^{(t)})^2)\delta^{(t)}(h^{(t-1)})^T WL=t=1τdiag(1(h(t))2)δ(t)(h(t1))T
∂ L ∂ b = ∑ t = 1 τ d i a g ( 1 − ( h ( t ) ) 2 ) δ ( t ) \frac{\partial L}{\partial b}= \sum\limits_{t=1}^{\tau}diag(1-(h^{(t)})^2)\delta^{(t)} bL=t=1τdiag(1(h(t))2)δ(t)
∂ L ∂ U = ∑ t = 1 τ d i a g ( 1 − ( h ( t ) ) 2 ) δ ( t ) ( x ( t ) ) T \frac{\partial L}{\partial U} =\sum\limits_{t=1}^{\tau}diag(1-(h^{(t)})^2)\delta^{(t)}(x^{(t)})^T UL=t=1τdiag(1(h(t))2)δ(t)(x(t))T
    除了梯度表达式不同,RNN的反向传播算法和DNN区别不大,因此这里就不再重复总结了。

RNN小结

上面总结了通用的RNN模型和前向反向传播算法。当然,有些RNN模型会有些不同,自然前向反向传播的公式会有些不一样,但是原理基本类似。

RNN虽然理论上可以很漂亮的解决序列数据的训练,但是它也像DNN一样有梯度消失时的问题,当序列很长的时候问题尤其严重。因此,上面的RNN模型一般不能直接用于应用领域。在语音识别,手写书别以及机器翻译等NLP领域实际应用比较广泛的是基于RNN模型的一个特例LSTM,下一篇我们就来讨论LSTM模型。

### 使用RNN循环神经网络进行深度学习编程 #### RNN的基本概念 循环神经网络(Recurrent Neural Network,简称RNN)是一种专门用于处理序列数据的神经网络模型。它通过引入循环结构来捕捉时间序列中的依赖关系,使得其能够在输入数据之间建立动态的时间关联[^1]。 #### RNN的核心特性 相比于传统的浅层前馈神经网络(Shallow Feedforward Neural Networks),RNN可以视为一种深层架构,因为它不仅能够对相似单词进行聚类,还能够对历史上下文信息进行建模和聚类[^2]。这种能力使其非常适合于自然语言处理、语音识别以及时间序列预测等任务。 然而,在实际应用中,标准的RNN存在一些局限性,尤其是在处理较长序列时容易遇到梯度消失或梯度爆炸的问题[^3]。这些问题可以通过改进版的RNN变体(如LSTM或GRU)得到缓解。 --- #### 实现RNN的步骤 以下是基于Python和TensorFlow/Keras框架实现RNN的一个典型例子: ```python import tensorflow as tf from tensorflow.keras import Sequential from tensorflow.keras.layers import SimpleRNN, Dropout, Dense # 定义模型结构 model = Sequential([ # 添加第一个SimpleRNN层并返回完整的序列输出 SimpleRNN(100, return_sequences=True, input_shape=(None, 1)), # 添加Dropout层防止过拟合 Dropout(0.2), # 添加第二个SimpleRNN层 SimpleRNN(100), # 再次添加Dropout层 Dropout(0.2), # 输出层 Dense(1) ]) # 编译模型 model.compile(optimizer='adam', loss='mse') # 打印模型概要 model.summary() ``` 上述代码展示了如何构建一个多层RNN模型。`SimpleRNN` 是Keras中的一种基本RNN单元,而 `return_sequences=True` 参数表示该层会输出整个序列而不是仅最后一个时间步的结果。此外,为了提高泛化性能,我们加入了 `Dropout` 层以减少过拟合的风险[^3]。 --- #### 数据准备与训练过程 在使用RNN之前,通常需要对原始数据进行预处理以便适配模型的要求。例如,对于时间序列数据,可能需要将其转换为三维张量形式 `(样本数, 时间步长, 特征维度)`。以下是一个简单的示例: ```python import numpy as np # 假设有一个长度为N的一维时间序列数据 data = np.random.rand(100) # 将数据划分为滑动窗口的形式 def create_dataset(data, time_steps=1): Xs, ys = [], [] for i in range(len(data) - time_steps): v = data[i:(i + time_steps)] Xs.append(v) ys.append(data[i + time_steps]) return np.array(Xs), np.array(ys) time_steps = 10 X, y = create_dataset(data, time_steps=time_steps) # 调整形状以适应RNN输入需求 X = X.reshape((X.shape[0], X.shape[1], 1)) # 训练模型 model.fit(X, y, epochs=50, batch_size=8, verbose=1) ``` 在这个过程中,我们将一维时间序列分割成多个固定大小的片段作为输入特征,并将下一个时刻的数据点作为目标标签。这样做的目的是让模型学会从过去的历史记录中推断未来趋势。 --- #### 改进方向 尽管基础版本的RNN已经具备一定的表达能力,但在面对更复杂的场景时可能会显得力不从心。因此,研究者们提出了多种增强型设计,比如长短时记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)和门控循环单元(Gated Recurrent Unit, GRU)。这些改进方案通过增加额外的记忆机制有效解决了长期依赖问题。 ---
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