循环神经网络（Recurrent Neural Network）

本博客是针对李宏毅教授在Youtube上上传的课程视频的学习笔记。

课程视频链接

Introduction

假设我们想做一个智慧订票系统，它能根据用户的文本输入获得订票必须的信息。那么对于系统来说，它所需的订票信息可以被视作若干槽（slot），这些槽需要被填充。比如在订票这里，槽包括目的地（destination），和到达时间（time of arrival）。那么订票系统就需要从用户的输入中提取出两个槽对应的信息填入。

那么，这个问题当然是可以用前馈神经网络来解的，只要把每个句子中的词都用一个词向量（word vector）来表示（最简单的方法是如下的1-of-N encoding，也包括Beyond 1-of-N encoding的一些方法），然后扔到NN（神经网络）里，让NN来判断该词是否代表目的地或者到达时间（属于某个槽的概率）。

• 1-of-N encoding

• Beyond 1-of-N encoding

为了保证能够顾及到所有的词，我们可以加入一个”other”分量，表示未出现在该向量其它分量中的词；也可以做词散列化（word hashing）。

如下图，但是使用前馈神经网络的问题也很明显：我们会需要系统有记忆能力，即它能判断句子中的地点到底是目的地，还是出发地。 (eg：arrive Taipei on Nov.2nd 和 leave Taipei on Nov.2nd中的Taipei都是地点，但前者是目的地，后者是出发地，要买的票完全不一样)。所以，我们可能会希望我们的系统会记得它在看过“Taipei”之前，有看过”arrive”或”leave”。也即面对相同的输入，能输出相应的不同的结果的能力，于是，循环神经网络（Recurrent Neural Network）登场了。

Framework

RNN会将隐层的输出暂存到一个额外的单元中(a1,a2)，而这些额外单元会再将储存的值也作为下一次隐层的输入的一部分。

RNN Example

我们用一个简单的RNN例子来说明一下它的效果。

首先给定额外单元初始值0，然后我们的输入序列如下图所示。那么，当我们输入第一个向量[1,1]，那么其最终对应的output会是[4,4]，而隐层会将它的output[2,2]写入到额外单元。

然后，输入第二个向量[1,1]，会输出[12,12]。（此时已经达到效果：面对相同的输入[1,1]，RNN可以产生不同的输出）

接着，输入第三个向量[2,2]，会输出[32,32]。

同时，我们要注意，当我们改变输入向量的输入顺序时，RNN的输出也会改变，对于RNN来说，输入的顺序也是一个非常重要的特性。

那么之前提过的智慧订票系统问题也就可以用RNN来解决。

我们将客户的语句逐词输入到RNN中，让RNN输出该词属于slot的概率，而RNN的能力使得它可以“记得”看过“arrive”或“leave”，进而给出更准确的输出结果。

而之所以RNN可以具备“记住能力”，最核心的也就在于额外单元(memory)，因为它储存了输入“arrive”或“leave”后的隐层的输出值，于是在下一次RNN接受“Taipei”输入时，它会输入不同的对应值到隐层中，以区分两种不同的情况。

理所当然的，RNN也可以做的很深（deep），即加很多隐层。

Variants of RNN

RNN有很多扩展变体，下面举几个例子。

Jordan Network (store output into memory)

• Elman网络：每次将隐层的值读出（放入memory），在下一次再读入隐层；
• Jordan网络：每次将输出层的值读出（放入memory），在下一次再读入隐层。（一般Jordan网络的表现据说会好一些，因为它相对Elman网络可以更好地控制存到Memory中的内容。）

Bidirectional RNN

双向RNN。

同时训练一个正向读取输入序列的逆向读取输入序列的网络，再将它们的隐层拿出来，都接到一个输出层，得到最后的输出。

双向网络的好处是：它同时正向和逆向看过了输入序列，那么就可以对序列中任一单个输入的上下文环境都有了解，而不是只了解它之前的输入情况。

Long Short-term Memory (LSTM)

RNN每次有新的输入时，memory都会变化，而LSTM则可以保持相同的memory更长时间。

如下图，LSTM中有三个阀门（gate）。

• Input Gate：当某个值想被写入Memory cell中时，需要input gate打开，而input gate打开和关闭的时机是LSTM自己学习到的。
• Output Gate：当Memory Cell的值要输出到网路的其它部分时，需要output gate打开，而打开和关闭的时机也是自己学习到的。
• Forget Gate：当Memory Cell的值要被遗忘时，需要forget gate打开，而打开和关闭的时机也是自己学习到的。

所以整个LSTM可以看做有4个输入（1个网络其它部分的输入+3个gate的控制信号）和一个输出。

Framework

z:输入;
zi:input gate信号;
zo:output gate信号;
zf:forget gate信号;

gate的激活函数f一般用sigmoid函数，因为输出值在[0,1]之间，可以模拟阀门打开的程度。

（李老师提到说想做人体LSTM，以帮助大家更好地理解LSTM的工作机制233333…）

下图可以帮助理解LSTM的工作机制：

然后我们再在LSTM中做一下实际的运算。

如下图，每个输入值（包括三个阀门的输入值）都是通过将实际LSTM输入向量分别与各个输入口对应的weights相乘再加上bias获得的。

我们来分析一下，每个gate可能被打开的情况：

• input gate:当x2有正值时，通常会使得gate的输入为较大的正值，会使得input gate被打开，否则关闭。
• ouptut gate:当x3有正值时，通常会使得gate的输入为较大的正值，会使得input gate被打开，否则关闭。

• forget gate:因为bias为正，除非x2为负，否则一般都是打开状态。

• 实际输入的例子

首先输入第一个向量[3,1,0]，获得下图的结果。

输入第二个向量[4,1,0]，获得下图的结果。

输入第三个向量[2,0,0]，获得下图的结果。

输入第四个向量[1,0,1]，获得下图的结果。

输入第五个向量[3,-1,0]，获得下图的结果。

Relationship with original network

在之前的神经网络中，我们简单地将隐层的单元设置为一个神经元，而当利用LSTM时，可以将之前的神经元替换为一个LSTM单元。不过，因此用上了LSTM的NN参数的数量也相对多了大约4倍。

xt输入通过4种变换（transform）后，分别输入到LSTM的四个部分。

多个LSTM的串联：

Keras也支持LSTM、GRU（LSTM的简化版本，少了一个阀门，参数比LSTM少了三分之一），Simple RNN。

老师说，很多人看了上图那么复杂的架构后，反应都如下图：觉得这种网络可能不会work。

不过LSTM现在是比较标准的RNN架构了，所以现在做RNN的基本都是在LSTM上下功夫。而Keras里面建立一个LSTM单元也只要一个简单的构造函数就行了，所以不同太担心，哈哈！