CS231n学习笔记--10.Recurrent Neural Networks

1. Recurrent Neural Network

RNN 的关键点之一就是他们可以用来连接先前的信息到当前的任务上，例如使用过去的视频段来推测对当前段的理解。
有时候，我们仅仅需要知道先前的信息来执行当前的任务。例如，我们有一个语言模型用来基于先前的词来预测下一个词。如果我们试着预测 “the clouds are in the sky” 最后的词，我们并不需要任何其他的上下文 —— 因此下一个词很显然就应该是 sky。在这样的场景中，相关的信息和预测的词位置之间的间隔是非常小的，RNN 可以学会使用先前的信息。

Recurrent Neural Network 框架：

Tips：
the same function and the same set of parameters are used at every time step.

普通Recurrent Neural Network：

多输入输出的RNN架构：

多输入单一输出的RNN架构：

单一输入多输出的RNN架构：

应用于编解码场景：

单词构建场景训练阶段：

单词构建场景测试阶段：

RNN前后向传输计算t梯度策略：

1.前后向传输均使用完整序列

1. 前后向传输均使用分块序列

3.前使用完整序列, 后向传输使用分块序列

CNN+RNN进行图像内容识别：

Image Captioning with Attention：

Tips：

vi指的是CNN之后的图像分块特征，pi指的是该图像块包含特征词汇的概率。

Soft attention：指的是该词汇参考全图，不过每块有权重大小区别。
Hard attention：指的是该词汇参考某块图像块。

RNN用于问题解答：

2. LSTM

会有一些更加复杂的场景。假设我们试着去预测“I grew up in France… I speak fluent French”最后的词。当前的信息建议下一个词可能是一种语言的名字，但是如果我们需要弄清楚是什么语言，我们是需要先前提到的离当前位置很远的 France 的上下文的。这说明相关信息和当前预测位置之间的间隔就肯定变得相当的大。
不幸的是，在这个间隔不断增大时，RNN 会丧失学习到连接如此远的信息的能力。
LSTM 通过刻意的设计来避免长期依赖问题。记住长期的信息在实践中是 LSTM 的默认行为，而非需要付出很大代价才能获得的能力！

多个传统RNN级联存在的问题，梯度爆炸/消失：

LSTM架构：

特别要注意的因为激活函数是sigmoid的，所以i,f,0均二值化的数值，所以可以缓解传统RNN存在的梯度问题！

LSTM与ResNet的相似之处：

其他模型：

进一步理解，可参考博客：理解 LSTM 网络

3. Summary

RNNs allow a lot of flexibility in architecture design
- Vanilla RNNs are simple but don’t work very well
- Common to use LSTM or GRU: their additive interactions improve gradient flow
- Backward flow of gradients in RNN can explode or vanish. Exploding is controlled with gradient clipping. Vanishing is controlled with additive interactions (LSTM)
- Better/simpler architectures are a hot topic of current research
- Better understanding (both theoretical and empirical) is needed.