AI入門：循環神經網絡

JM
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今天我們主要討論的循環神經網絡，到底循環神經網絡能解決什么問題，它的結構是怎樣的？有什么優缺點？應該在那些領域上上？本文將跟大家一起探討。

講到AI不得不講深度學習，而講到深度學習，又不能不講循環神經網絡（Recurrent Neural Network, RNN）。如果把深度學習比作中國的互聯網界，那循環神經網絡和卷積神經網絡就是騰訊和阿里級別的地位。

看這篇文章之前，建議大家先看下我前面寫的兩篇文章《深度學習到底有多深？》、《入門AI：卷積神經網絡》，本文討論的內容跟前面寫的文章有很強的關聯性，看完可能更容易理解本文所討論的內容。

照例，先給個概述圖：

為了方便，在下文中我們用RNN來表示循環神經網絡。

一、為什么需要RNN？

我們先來看一個訂票系統：

假設我們在訂票系統中輸入一句話“我將在7月20號去深圳”，那么訂票系統就會這句話中的詞進行分類，專業術語叫填槽（slot filling）。

那訂票系統會把這些詞分別填到3個槽中：

  • 目的地：深圳
  • 時間：7月20號
  • 其他類型：我、將、在、去

補充下神經網絡的知識，要實現這個分類的話，我們可以搭一個網絡架構。

當輸入“深圳”，經過網絡系統后，會判斷出“深圳”屬于目的地槽的概率是多少，然后決定是否屬于目的地槽。

但是，假設我們再輸入另外一句話“我將在7月20號離開深圳”，機器能正確處理嗎？

對于普通的神經網絡，同樣的輸入，肯定會是同樣的輸出，因此如果同一個網絡輸入這兩句的“深圳”的話，那機器肯定會把他們歸到同一個槽，這樣肯定是錯了。

那怎么辦？假設我們在輸入“深圳”的時候，機器根據上下文的詞，再輸出結果。這樣是不是有可能解決問題了，沒錯，這就是RNN要做的事。

具體RNN怎么工作的，接著往下看。

二、RNN的工作原理

1. RNN的工作原理

RNN的工作原理圖：

在神經網絡里，每一個神經元的輸出，都會被記得綠色的方塊里，然后下一次輸入的時候，不僅要考慮紅色的輸入，還要考慮被記在綠色里面的值。

也就是：新的輸出是由新的輸入和被之前所記下來的值所決定的。

這樣的話，我們前面所討論的問題就可以解決了：

當輸入第一句話的“深圳”時，我們記住前面輸入的是“去”，然后就把“深圳”歸為目的地。

當輸入第二句話的“深圳”時，我們記住前面輸入的是“離開”，然后就把“深圳”歸為出發地。

因此，我們可以看到RNN最主要的兩個特點：

  • 新的輸出是由新的輸入和之前的輸出共同決定的。
  • 對于同一個輸入，可能會輸出不同的結果。

2. RNN的其他架構

如上左圖的架構，是每一個神經元的輸出都會被記起來。

如上右圖的架構，是網絡的最終輸出的值才會被記起來。

雙向RNN：

假設我輸入一句 “7月20號，深圳，我來了”，如果用我們之前討論的網絡，就可能有問題。因為之前的網絡只能考慮輸入在“深圳”之前的內容，沒辦法考慮在“深圳”之后的內容，而“來”在“深圳之后”，所以網絡就不知道“深圳”是目的還是出發地了。

那雙向RNN就可以解決這個問題：

雙向RNN是把同一句話，按正反兩個順序一起丟到網絡里去訓練，然后綜合考慮正反兩個順序再決定輸出結果。因此，雙向RNN不僅考慮了前文，還考慮的后文。

到此為止，我們討論的都都是最簡單的RNN，但現實可能存在更加復雜的場景。

我們前面討論的都是輸入“深圳”只會考慮跟它相鄰的那個值，如果跟它相距比較遠，可能就沒辦法處理了，比如：我們輸入“離開了，7月20號，我美麗的深圳”。

那要怎么解決這樣的問題呢？下面我們就來介紹下，RNN中最經典，也是現在最常用的模型：LSTM（Long short-term memory）。

三、 LSTM

結構圖：

由四部分組成：輸入門、輸出門、忘記門、記憶單元

  1. 輸入門（Input gate）：決定外界能不能把數據寫入記憶單元，只有輸入門打開的時候，才能寫入數據；
  2. 輸出門（Output gate）：決定外界能不能從記憶單元里讀取數據，只有輸出門打開的時候打，才能讀取數據；
  3. 忘記門（Forget gate）：決定什么時候把記憶單元里的數據清除，打開的時候是不清除的，關閉的時候就會清除；
  4. 記憶單元（Memory?cell）：就是存儲數據。

每個門什么打開，什么時候關閉？都是機器自己學的。

具體的計算邏輯：

這個是純數學邏輯了，大家看下就好，看不明白也沒關系，入門不必深究。

從上圖我們可以看出，LSTM是需要4個輸入，才會有一個輸出的。

小結：

LSTM最大的特點就是：可以有很長時間或距離的記憶能力，而普通的RNN不能記住間距大的信息。

除此之外，LSTM對還能對梯度消失和梯度爆炸有比較好的處理效果。

備注：對于不知道什么是梯度下降的同學，可以翻下之前的文章。這里簡單介紹下什么是梯度消失和梯度爆炸。

梯度消失：誤差梯度的值變化得太小，沒辦法移動了，導致機器停止學習；

梯度爆炸：誤差梯度變化非常大，網絡參數大幅更新，導致網絡不穩定。

四、總結

1. RNN小結

RNN是根據“人的認知是基于過往經驗和記憶”這一觀點提出的，它不僅考慮當前時刻的輸入，還考慮對前面內容記憶。即RNN 對之前發生在數據序列中的事是有一定記憶的，對處理有序列的問題效果比較好。

2. RNN與CNN的不同點

前一輸入跟下一輸入是否有關聯：

  • CNN ：前一個輸入和下一個輸入之間沒有任何關聯，因此所有的輸出都是獨立的。
  • RNN：前一個輸入和下一個輸入之間沒有任何關聯，共同決定新的輸出

前饋或反饋網絡：

  • CNN：屬于前饋神經網絡
  • RNN：屬于反饋神經網絡

備注：什么是前饋網絡？什么是反饋網絡？

前饋網絡：每一層中的神經元接收前一層神經元的輸出，并輸出到下一層神經元，整個網絡中的信息是朝著一個方向傳播的，沒有反向的信息傳播；

反饋網絡：反饋神經網絡中神經元不但可以接收其他神經元的信號，而且可以接收自己的反饋信號。

3. RNN的主要應用領域

用RNN處理需要考慮時間先后順序的問題，效果都很不錯，例如：

  • 自然語言處理（NLP）
  • 語音識別
  • 機器翻譯
  • 圖像描述生成
  • 文本相識度處理等

好了，到這里就介紹完了RNN。

 

本文由 @Jimmy 原創發布于人人都是產品經理。未經許可，禁止轉載。

題圖來自Unsplash，基于CC0協議。

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