NLP---RNN & LSTM & GRU & BiRNN & BiLSTM

1. RNNs (Recurrent Neural Networks)

参考：https://blog.youkuaiyun.com/Jerr__y/article/details/58598296
https://www.yunaitong.cn/understanding-lstm-networks.html
以上两篇均是翻译：http://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/
另外，参考了《Tensorflow实战google深度学习框架》这本书
以下是自己简要的学习笔记和理解。

1.1 RNNs的结构

• 起源：传统的神经网络不能够基于前面的信息来推断接下来的信息。
• RNNs的网络结构：

网络中的循环结构使得某个时刻的状态能够传到下一个时刻，即可以实现信息的持久化。因此，循环神经网络的主要用途是处理和预测序列数据。
把 RNNs 在时间步上进行展开，可以得到下图：

• RNN网络要点
  • 循环神经网络是在不同时间位置共享参数，从而能够使用有限的参数处理任意长度的序列。
  • 循环神经网络要求每个时刻都有一个输入，但是不一定每个时刻都需要有输出。
  • 循环神经网络的总损失为所有时刻（或者部分时刻）的损失函数总和。

1.2 缺点

RNNs能够把以前的信息联系到现在，从而解决现在的问题。但是，随着预测信息和相关信息间的间隔增大， RNNs 很难去把它们关联起来了。从理论上来讲，通过选择合适的参数，RNNs 确实是可以把这种长时期的依赖关系 (“long-term dependencies”) 联系起来，并解决这类问题的。但遗憾的是在实际中， RNNs 无法解决这个问题。如果序列过长，一方面会出现梯度消散或梯度爆炸的问题，另一方面，展开后的前馈神经网络会占用过大的内存。因此，实际中一般会规定一个最大长度，当序列长度超过规定长度后进行截断。幸运的是，LSTMs能够比较好的解决长期依赖问题。

2. LSTMs (Long Short Term Memory networks)

2.1 LSTM的网络结构

• 长短期记忆网络(LSTMs)是 RNN 中一个特殊的类型。由Hochreiter & Schmidhuber于1997年提出。
• 它的本质就是能够记住很长时期内的信息。
• LSTMs的每一个模块中有4个神经网络层。

• 图中元素说明：

a. 黄色方框表示神经网络的层。b. 粉红圆表示向量的元素级操作，比如相加或者相乘。c. 每条线表示向量的传递，从一个结点的输出传递到另外结点的输入。d. 线条合并表示向量的连接。e. 线条分叉表示向量的复制。

2.2 LSTM核心思想

LSTMs的核心是元胞状态 (Cell State)，下图中横穿整个元胞顶部的水平线表示元胞状态的流动。LSTMs通过一种叫门的结构控制元胞状态信息的添加或者删除。每个门中包含一个sigmoid神经网络层，控制信息通过的比例。

2.3 LSTM分布解析

• (1) 遗忘门
  表示让对应信息通过的权重，决定让哪些信息通过这个Cell。

• (2) 输入门
  决定让多少新的信息加入到cell状态中来。$i_t$ 决定哪些信息更新，${\tilde{C}}_t$表示备选的用来更新的内容。

此时，元胞状态的更新为：$C_t=C_{t-1}\ast f_t+i_t\ast {\tilde{C}}_t$.

• (3) 输出门
  决定输出什么值。

3. GRU (Gated Recurrent Unit)

• 2014年提出。

3.1 GRU的结构及工作原理

• GRU的网络结构

• 重置门 (reset gate)
  GRU的重置门合并了LSTMs中的遗忘门和传入门，同时合并了元胞状态和隐藏状态。
  $r_t=\sigma (W_r\cdot [h_{t-1},x_t])$
  隐藏状态：${\tilde{h}}_t=tanh(W\cdot [r_t\ast h_{t-1},x_t])$
• 更新门 (update gate)
  $z_t=\sigma (W_z\cdot [h_{t-1},x_t])$
  $h_t=(1-z_t)\ast h_{t-1}+z_t\ast {\tilde{h}}_t$

4. 双向循环神经网络

以上介绍的循环神经网络考虑了前文的信息，但很多时候，当前时刻的输出不仅和前文有关也和后文有关。

https://blog.youkuaiyun.com/SunJW_2017/article/details/82837072
《TensorFlow实战google深度学习框架》

4.1 双向RNN

• BiRNN (双向RNN)：Bi-directional RNN.
• 网络结构：双向RNN的主体结构就是两个单向RNN的结合，一个RNN接收序列的顺序输入，一个RNN接收序列的逆序输入，最终输出是这两个单向RNN输出的简单拼接。其网络结构如下图所示：

4.2 双向LSTM

• 原理与BiRNN类似，其网络结构如下所示：

5. 循环神经网络用于文本分类

5.1 textRNN

• 优点：适合处理序列信息。
• 缺点：串行运行，速度慢。
• 论文：Recurrent Neural Network for Text Classification with Multi-Task Learning
• 网络结构：一般的网络结构如下图所示，

• 从RNN获取文本特征的策略：
  (1) 直接使用RNN结构最后一个单元的输出向量作为文本的特征。
  (2) 将所有RNN单元的输出向量的均值pooling或者max-pooling作为文本特征。
  (3) 使用BiRNN两个方向的输出向量的连接 (concatenate) 或均值作为文本特征。
  (4) 层次RNN+Attention (Hierarchical Attention Networks)。
• 模型函数调用：lstm=LSTM(128)(embedding)，128为隐向量的维度。

5.2 textBiRNN

• 模型函数调用：biLstm=Bidirectional(LSTM(128))(embedding)，128为隐向量的维度。
• 网络结构：与textRNN类似，将RNN换成Bidirectional RNN即可。