【NLP】 深度学习NLP开篇-循环神经网络(RNN)

从这篇文章开始，有三AI-NLP专栏就要进入深度学习了。本文会介绍自然语言处理早期标志性的特征提取工具-循环神经网络(RNN)。首先，会介绍RNN提出的由来；然后，详细介绍RNN的模型结构，前向传播和反向传播的过程；最后，讨论RNN的特点及其优劣势。

作者&编辑 | 小Dream哥

完整的NLP深度学习介绍，应该从反向传播(BP)开始，进而介绍深度神经网络(DNN)，卷积神经网络(CNN)也是必不可少的内容。鉴于有三AI已经发布了大量的CV相关的文章，其中必有相关的介绍。所以，在NLP专栏就暂不介绍相关的内容了。如果有需要的同学，可以留言提出来。

1 引言：RNN

对于一些序列输入的信息，例如语音、语言等，不同时刻之间的输入存在相互的影响，需要一种模型能够“记忆”历史输入的信息，进而对整个序列进行完整的特征提取和表征。

循环神经网络(RNN)就是面对这样的需求提出来的，它能够“记忆”序列输入的历史信息，从而能够较好的对整个序列进行语义建模。

目前，RNN及其变种在NLP领域有着广泛的应用。语音识别、对话系统、机器翻译、情感分析等等领域，在产业界，RNN及其变种都是最主要的特征提取工具。

关于RNN的特性，这里先不做太多理论上的说明，等介绍完其结构、前向传播和反向传播后我们再来讨论。

基于篇幅的限制，本文会先介绍最基本的RNN模型结构和原理，LSTM会在下一篇文章中做详细的介绍。

2 RNN的结构

如上图所示，是RNN的结构图。相较于CNN繁杂的卷积运算过程和复杂的网络层次，RNN的模型结构看上去相当的简洁。同样的，RNN模型的结构也分为输入层(Input Layer)、隐藏层(Hidden Layer)和输出层(Output Layer)。图中的箭头表示数据的流动，需要注意的是在隐藏层，有一个回流的箭头，这是这个箭头的作用，使得RNN具有了“记忆”的能力。

这样看，同学们可能还无法看清楚数据在RNN模型内到底是如何流动的。我们将RNN模型的单元按时间展开，如下图所示：

图片来自：https://www.nature.com/articles/nature14539

可以看到，不同时刻的数据x_t与上一时刻的状态s_(t-1)，从输入层输入，经过一系列运算(激活函数)之后，得到该时刻的状态s_t，s_t再经过矩阵运算得到该时刻的输出o_t，同时t时刻的状态s_t会传给下一时刻的输入层。

通过这种方式，任意时刻的序列输入都会包含前面所有时刻的状态信息，就实现了“记忆”的目的，实际就是一种残差的结构。

需要注意的是，这里所有的RNN结构单元是权重共享的，用大白话说，就是只有一个RNN单元。

下面我们来详细看看数据的流动过程，也就是RNN的正向传播与反向传播过程。

3 RNN的正向传播

RNN的正向传播过程，就是通过输入数据x_t，求该时刻的RNN单元状态(Cell State)s_t以及输出o_t的过程。

我们先来看s_t

U和W是权重参数，f是激活函数，激活函数有sigmoid、relu以及tanh等。

o_t的计算过程为：

V是权重参数，g是输出函数，因为通常是预测类别，所以一般是softmax。

4 RNN的反向传播

下面我们基于RNN的正向传播过程来介绍下RNN的反向传播过程。RNN的反向传播与DNN的反向传播的基本理论是一致的。差别在于，因为RNN是序列的输入，因此其反向传播是基于时间的，叫BPTT(Back PropagationThrough Time)。

与DNN一致，反向传播的过程其实就是更新参数U，W，V的过程。知道反向传播的同学应该知道，更新，W，V其实就是求梯度。

用L_t表示t时刻的模型损失，则输入完一个序列后的总损失值为：

我们先来看参数V的更新，根据偏导公式，

损失函数通常为交叉熵，因此，

再来看看W和U的更新，像DNN的反向传播一样，我们引入一个中间变量，暂称之误差delta，t时刻的误差delta_t：

我们的目标是要得到一个递推公式，用delta_(t+1)来表示delta_t，注意这里激活函数用的是tanh函数。

最后时刻的误差可以表示为：

这样就可以通过delta_T一步一步得到所有时刻的误差。

那么，怎么通过误差得到W和U的梯度呢？

罗列了一大堆的公式，肯定有同学看花了眼。公式推导有不明白的地方，没有关系，我们暂且先放下，后面再慢慢的思考，最重要的是理解反向传播时，梯度更新的思想和技巧。下面我带着大家总结一下这个过程，相信你能获益匪浅。

1.正向传播，求得所有时刻的x_t，o_t，s_t

2. 根据梯度公式，求V的梯度

3. 求得T时刻的误差delta_T

4.根据误差的递推公式，求得所有时刻的误差delta_1,delta_2,...,delta_T

5. 根据梯度公式，和上述误差值求得W的梯度

6. 根据梯度公式，和上述误差值求得U的梯度

7. 更新权重参数

总结

上文详细讲述了RNN的模型结构及其正向和反向传播过程。

RNN虽然理论上可以很漂亮的解决序列数据的训练，但是它也像DNN一样有梯度消失的问题，当序列很长的时候问题尤其严重。虽然同选择合适的激活函数等方法能够一定程度的减轻该问题。但人们往往更青睐于使用RNN的变种。

因此，上面的RNN模型一般都没有直接应用的领域。在语音识别，对话系统以及机器翻译等NLP领域实际应用比较广泛的是基于RNN模型的变种。

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