[深度学习] 我理解的循环神经网络RNN

 

本来今天在写毕业论文，就不打算更新了，但是写毕业论文挺痛苦的，因为我发现毕业论文的文字不能像公众号这样比较随意，随意的文字不是说不严谨，而是为了便于大家理解，这里就是想吐槽一下，国内写论文的“八股文”现状，反正大家都是一个抄一个的，真的想搞个深度学习模型，把国内的中文论文按照写作风格做个分类，估计最多只能分两类吧，猜猜是那两类？

 

说到循环神经网络，其实我印象是比较深的，因为循环神经网络是我接触的第一个深度学习模型，大概在一年半前吧，那时候我还没有深度学习的概念，算是刚入门机器学习。偶然一个机会，听某位老师给我说，用RNN来做文本生成，当时我觉得很有意思，并不懂这里面的坑有多大，然后就开始稀里糊涂的查文献。现在才发现，那时候RNN还是挺新的东西，知道的人比较少，大概过了半年左右，研究RNN的人感觉一下多了，但是我当时就做了半个多月，最后基本概念大概懂了，然后找到了一份Keras的代码，因为之前有位老师给了 份Keras做验证码识别的代码，稍微懂一点Keras，（PS:当初搭Keras的这个环境，把我坑惨了，身边也没人懂，也不知道问谁，虽然现在看起来是那么简单，当时也没人给我讲，第一次听说Keras，Theano，Cuda等等，查了各种安装教程，然后从Windows切到了Ubuntu，这也是我第一次接触Ubuntu，装系统的坑也不少，也可能是自己太笨了，反正就是进度很慢很慢，各种问题，不知道大家都是怎么入门的，不过我想说，还好我没放弃~.~，做研究有时间是寂寞的，如果你没有一个好的平台，希望你能守的住寂寞，坚持住自己的梦想）所以把RNN的这个代码最后也算是调通了，但是生成的效果我就不想说了，简直就是火星文，完全不通顺，当时也不懂怎么去改进，就再没做了，然后现在又开始做自然语言处理的东西，想着RNN以后肯定是少不了要了解的，所以最近重新看了一遍相关的内容，今天给大家做个简单的介绍。这里要提醒大家，做这个公众号，只是想减轻信息的不平衡性，就是有些东西可能没人告诉你，你永远接触不到。并不能代替大家学习，当然我也没那么厉害。。。所以真正做研究的话，还是要靠自己多钻研。

 

 

做文本生成的RNN，英文名叫RecurrentNeural Networks， 中文名叫循环神经网络。还有一个也叫RNN，英文名叫Recursive Neural Networks，中文名叫递归神经网络。这个两个是有区别的，但是一般说的RNN应该都是指的第一个，这个需要清楚一下，开始的时候，这个也把我坑了一把，没搞清楚是那个。百度上的解释是一个叫时间递归神经网络，一个叫结构递归神经网络，这个解释也说的过去，因为循环神经网络一般就是处理的带有时序性质的数据，也就是存在时间的先后关系。好，今天只说时间递归神经网络，另外一个不做解释。

 

神经网络大家应该都比较清楚了，一般有输入层，隐藏层，输出层。也就是有一个输入，会给出一个输出，由于中间隐藏层加入了一些非线性的函数，所以神经网络是一个非线性模型。刚才说了RNN主要处理的时序数据，就是存在前后关系的数据，比如说文本，语音，视频等等。什么是前后关系呢，举个栗子，“我爱北京天安门”，当出现“北京”的时候，“天安门”出现的概率就很多，至少比“我爱北京大熊猫”，出现的概率要大。但是也有可能是“我爱北京烤鸭”，是吧，这个就是词语和词语之间的关系，也就是word level，文本也存在词和词之间的联系，就是英文中character level。那么RNN就是试图找到word或者character之间的关系，然后建模，进而做出预测，这就是RNN的用途。

当有了第一个word或者character的时候，可以用RNN去预测下一个词，那么一直预测下去，就是文本生成。文本生成的研究已经很多了，有人用RNN去模仿韩寒写作，也有人用RNN去生成音乐，如果感兴趣，可以去看具体的文献。

 

然后你去查RNN的资料，肯定有这个图，这个图我最先是15年9月份出来在一个英文博客中看到的，当时博主的第一句话就是RNN非常火，但是资料很少，所以他想写一个系列，来j介绍RNN，听了以后感同身受，资料真的很少，看着英文资料，当时也是挺头疼的。

好，不说废话了，介绍一点干货。

从左到右看一下这个，首先一个输入x，经过U，U应该是weights，到达隐藏层，隐藏层的输出分为2部分，一部分经过V到输出层，另一部分经过W重新输入到隐藏层的神经元当中。这就是所谓的循环，从哪里来然后回到那里去。然后右边是Unfold的样子，注意看的是下标t，这有xt-1， xt，xt+1三个状态，每一个状态的结构是一样的，区别在于代表的时间点不一样，看一下st，这个是介于t-1和t+1时刻的中间状态，他的输入就包括了当前时间t和t-1的隐藏层输出，RNN把这个隐藏层的输出叫做“记忆单元”，就是说这一部分记住了上一个时间的一部分内容，所以叫“记忆单元”。

f就是常用的激活函数，比如tanh，relu，leaky-relu等等。

输出层就和普通的神经网络一样了

这里可以思考一下，既然t-1时刻的“记忆单元”可以记住t-1时刻的内容，那么因为t的取值是无限的，所以每个时刻都可以保留前面所有时刻的内容，理论上是这样的，但是实际情况是RNN并没有那么强大，他可能只能记住前面2,3个时刻的内容，过一会儿它就“忘记了”距离比较远的信息（所以后来才有了LSTM）。

然后再看两个图

这个是双向的RNN，就是除了前一个时刻传递到当前时刻的“记忆单元”，还有当前时刻传回去的“记忆”。

这个是深度双向RNN，这里的隐藏层是三层，其实我想这个应该就和深度卷积神经网络一样了吧，你想加多少层都可以。在Keras里面，这个都有实现。

 

好，到这里RNN的概念就算基本完了，剩下的就是RNN的学习方法和应用场景。RNN的训练算法是BPTT（Backpropagation through time），基本原理和BP算法差不多的，只是这个这个用来训练RNN隐藏层的方法。RNN存在的问题的梯度消失和梯度爆炸，简单说一下解决办法，主要是我这方面没有实际经验，不敢多说。。对于梯度爆炸，爆炸的意思其实就是梯度太大了，那么我们就给他设个范围，超过这个范围的就不要了，就不会爆炸了。对于梯度消失，比梯度爆炸要难处理一些，因为梯度消失不好检测，但是方法也是有的，可以通过初始化方法，激活函数和使用类似LSTM或者GRU之类的循环神经网络。RNN的应用场景包括文本生成，机器翻译，图像打标签，语音识别等。不管是那个方向，文献都很多的，想做这方面，只要选择一个方向，都够做好久的了。。