【Coursera】吴恩达 deeplearning.ai 05.序列模型 第一周 循环序列模型 课程笔记

循环序列模型

为什么选择序列模型

在语音识别、音乐生成、情感分类、DNA序列分析、机器翻译、视频识别、命名实体识别等任务中，共同特点是输入X和/或输出Y都是序列。

数学符号

例如，对于命名实体识别的问题：

• 对于输入序列，用$x^{<1>},x^{<2>},...,x^{<t>},...,x^{<9>}$来表示，其中$x^{<t>}$表示$t$位置的单词。
• 对于输出序列用$y^{<1>},y^{<2>},...,y^{<9>}$来表示。
• $T_x$表示输入序列长度，$T_y$表示输出序列长度，在本例中$T_x=T_y=9$。
• $x^{(i)<t>}$表示第$i$个样本输入的第$t$个位置的值，$T_x^{(i)}$表示第$i$个训练样本的输入序列长度。
• $y^{(i)<t>}$表示第$i$个样本的输出第$t$个位置的值，$T_y^{(i)}$表示第$i$个训练样本的输出序列长度。

怎样表现句子里的某一个单词：

one-hot编码：在词典中，该词的编码为1，其余位置编码为0，形成该词的向量。

循环神经网络模型

无法选择标准的神经网络的原因：

• 在不同的样本中，输入输出长度都是可变的。
• 不共享跨文本不同位置学习的功能。

循环神经网络RNN

在每一个时间步中，循环神经网络传递一个激活值到下一个时间步中，用于计算。对于零时刻，则输入一个零向量（或者随机初始化的）作为伪激活值。
循环神经网络是从左往右扫描数据，同时每个时间步的参数也是共享的。
限制：在某一时刻的预测仅仅使用了序列中之前的输入信息，而没有使用该时刻之后的输入信息。（解决方法：双向循环神经网络BRNN）

RNN前向传播过程如下：

其中，$w_{ax}$表示与$X$相乘的用来计算$a$的权重，同理，$w_{ya}$表示与$a$相乘的用来计算$y$的权重。

穿越时间的反向传播

不同类型的循环神经网络

结构：
多对一：如文本输入
一对多：如音乐生成、序列生成等（输入一个数字等或空，输出一段·音乐）
多对多：如机器翻译，输入和输出的长度不同，因此网络分为编码器和解码器两个部分。

语言模型和序列生成

训练语料：大的英文文本 。
预处理：
- 将句子标记化（tokenize）
- 将每个单词转化成one-hot编码，在句子结尾加上标记。
- 对于训练集中不在字典中的词，用代替。

RNN model

对新序列采样

即对词的概率分布进行采样，来生成一个新的单词序列。

带有神经网络的梯度消失

存在的问题：
RNN从左到右前向传播，由于梯度消失的原因，后面层的输出误差很难影响到前面层的计算。
梯度爆炸：采用梯度修剪的方法。
梯度消失则比较棘手（下一节GRU单元）

GRU单元

GRU(Gated Recurrent Unit)门控循环单元，通过改变RNN的隐藏层，使其能捕捉深层连接，并改善梯度消失的问题。

$$\tilde{c}^{<t>}=tanh(W_c[c^{<t-1>},X^{<t>}]+b_c)$$
$$\Gamma_u=\sigma(W_u[c^{<t-1>},X^{<t>}]+b_u)$$

用$\tilde{c}^{<t>}$计算记忆细胞$c$的更新值，用$\Gamma_u$来判断是否需要更新。

$$c^{<t>}=\Gamma_u*\tilde{c}^{<t>}+(1-\Gamma_u)*c^{<t-1>}$$
由公式可以看出，如果$\Gamma_u$值为1，则说明需要更新，为0则保持原值。

公式中的$c^{<t>}$、$\tilde{c}^{<t>}$、$\Gamma_u$可以是维数相同的向量，*代表元素对应相乘(element-wise)的乘法。

长短期记忆LSTM

LSTM(Long Short Time Memory)和GRU的对比图：

GRU中，有两个门：$\tilde{c}^{<t>}$——代替记忆细胞的候选值，还有$\Gamma_u$——更新门来决定是否要更新。

双向神经网络 Bidirectional RNN

缺点：需要完整的数据序列，才能够预测任意位置。

深层循环神经网络 Deep RNNs