循环神经网络(RNN)模型与前向反向传播算法

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循环神经网络(RNN)模型与前向反向传播算法

文艺小青年 2017-11-30 22:59:00 浏览2505
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在前面我们讲到了DNN,以及DNN的特例CNN的模型和前向反向传播算法,这些算法都是前向反馈的,模型的输出和模型本身没有关联关系。今天我们就讨论另一类输出和模型间有反馈的神经网络:循环神经网络(Recurrent Neural Networks ,以下简称RNN),它广泛的用于自然语言处理中的语音识别,手写书别以及机器翻译等领域。

1. RNN概述

    在前面讲到的DNN和CNN中,训练样本的输入和输出是比较的确定的。但是有一类问题DNN和CNN不好解决,就是训练样本输入是连续的序列,且序列的长短不一,比如基于时间的序列:一段段连续的语音,一段段连续的手写文字。这些序列比较长,且长度不一,比较难直接的拆分成一个个独立的样本来通过DNN/CNN进行训练。

    而对于这类问题,RNN则比较的擅长。那么RNN是怎么做到的呢?RNN假设我们的样本是基于序列的。比如是从序列索引1到序列索引ττ的。对于这其中的任意序列索引号tt,它对应的输入是对应的样本序列中的x(t)x(t)。而模型在序列索引号tt位置的隐藏状态h(t)h(t),则由x(t)x(t)和在t1t−1位置的隐藏状态h(t1)h(t−1)共同决定。在任意序列索引号tt,我们也有对应的模型预测输出o(t)o(t)。通过预测输出o(t)o(t)和训练序列真实输出y(t)y(t),以及损失函数L(t)L(t),我们就可以用DNN类似的方法来训练模型,接着用来预测测试序列中的一些位置的输出。

    下面我们来看看RNN的模型。

2. RNN模型

    RNN模型有比较多的变种,这里介绍最主流的RNN模型结构如下:

    上图中左边是RNN模型没有按时间展开的图,如果按时间序列展开,则是上图中的右边部分。我们重点观察右边部分的图。

    这幅图描述了在序列索引号tt附近RNN的模型。其中:

    1)x(t)x(t)代表在序列索引号tt时训练样本的输入。同样的,x(t1)x(t−1)x(t+1)x(t+1)代表在序列索引号t1t−1t+1t+1时训练样本的输入。

    2)h(t)h(t)代表在序列索引号tt时模型的隐藏状态。h(t)h(t)x(t)x(t)h(t1)h(t−1)共同决定。

    3)o(t)o(t)代表在序列索引号tt时模型的输出。o(t)o(t)只由模型当前的隐藏状态h(t)h(t)决定。

    4)L(t)L(t)代表在序列索引号tt时模型的损失函数。

    5)y(t)y(t)代表在序列索引号tt时训练样本序列的真实输出。

    6)U,W,VU,W,V这三个矩阵是我们的模型的线性关系参数,它在整个RNN网络中是共享的,这点和DNN很不相同。 也正因为是共享了,它体现了RNN的模型的“循环反馈”的思想。  

3. RNN前向传播算法

    有了上面的模型,RNN的前向传播算法就很容易得到了。

    对于任意一个序列索引号tt,我们隐藏状态h(t)h(t)x(t)x(t)h(t1)h(t−1)得到:

h(t)=σ(z(t))=σ(Ux(t)+Wh(t1)+b)h(t)=σ(z(t))=σ(Ux(t)+Wh(t−1)+b)

    其中σσ为RNN的激活函数,一般为tanhtanhbb为线性关系的偏倚。

    序列索引号tt时模型的输出o(t)o(t)的表达式比较简单:

o(t)=Vh(t)+co(t)=Vh(t)+c

    在最终在序列索引号tt时我们的预测输出为:

y^(t)=σ(o(t))y^(t)=σ(o(t))

    通常由于RNN是识别类的分类模型,所以上面这个激活函数一般是softmax。

    通过损失函数L(t)L(t),比如对数似然损失函数,我们可以量化模型在当前位置的损失,即y^(t)y^(t)y(t)y(t)的差距。

4. RNN反向传播算法推导

    有了RNN前向传播算法的基础,就容易推导出RNN反向传播算法的流程了。RNN反向传播算法的思路和DNN是一样的,即通过梯度下降法一轮轮的迭代,得到合适的RNN模型参数U,W,V,b,cU,W,V,b,c。由于我们是基于时间反向传播,所以RNN的反向传播有时也叫做BPTT(back-propagation through time)。当然这里的BPTT和DNN也有很大的不同点,即这里所有的U,W,V,b,cU,W,V,b,c在序列的各个位置是共享的,反向传播时我们更新的是相同的参数。

    为了简化描述,这里的损失函数我们为对数损失函数,输出的激活函数为softmax函数,隐藏层的激活函数为tanh函数。

    对于RNN,由于我们在序列的每个位置都有损失函数,因此最终的损失LL为:

L=t=1τL(t)L=∑t=1τL(t)

    其中V,c,V,c,的梯度计算是比较简单的:

Lc=t=1τL(t)c=t=1τL(t)o(t)o(t)c=t=1τy^(t)y(t)∂L∂c=∑t=1τ∂L(t)∂c=∑t=1τ∂L(t)∂o(t)∂o(t)∂c=∑t=1τy^(t)−y(t)
LV=t=1τL(t)V=t=1τL(t)o(t)o(t)V=t=1τ(y^(t)y(t))(h(t))T∂L∂V=∑t=1τ∂L(t)∂V=∑t=1τ∂L(t)∂o(t)∂o(t)∂V=∑t=1τ(y^(t)−y(t))(h(t))T

    但是W,U,bW,U,b的梯度计算就比较的复杂了。从RNN的模型可以看出,在反向传播时,在在某一序列位置t的梯度损失由当前位置的输出对应的梯度损失和序列索引位置t+1t+1时的梯度损失两部分共同决定。对于WW在某一序列位置t的梯度损失需要反向传播一步步的计算。我们定义序列索引tt位置的隐藏状态的梯度为:

δ(t)=Lh(t)δ(t)=∂L∂h(t)

    这样我们可以像DNN一样从δ(t+1)δ(t+1)递推δ(t)δ(t) 。

δ(t)=Lo(t)o(t)h(t)+Lh(t+1)h(t+1)h(t)=VT(y^(t)y(t))+WTδ(t+1)diag(1(h(t+1))2)δ(t)=∂L∂o(t)∂o(t)∂h(t)+∂L∂h(t+1)∂h(t+1)∂h(t)=VT(y^(t)−y(t))+WTδ(t+1)diag(1−(h(t+1))2)

    对于δ(τ)δ(τ),由于它的后面没有其他的序列索引了,因此有:

δ(τ)=Lo(τ)o(τ)h(τ)=VT(y^(τ)y(τ))δ(τ)=∂L∂o(τ)∂o(τ)∂h(τ)=VT(y^(τ)−y(τ))

    有了δ(t)δ(t),计算W,U,bW,U,b就容易了,这里给出W,U,bW,U,b的梯度计算表达式:

LW=t=1τLh(t)h(t)W=t=1τdiag(1(h(t))2)δ(t)(h(t1))T∂L∂W=∑t=1τ∂L∂h(t)∂h(t)∂W=∑t=1τdiag(1−(h(t))2)δ(t)(h(t−1))T
Lb=t=1τLh(t)h(t)b=t=1τdiag(1(h(t))2)δ(t)∂L∂b=∑t=1τ∂L∂h(t)∂h(t)∂b=∑t=1τdiag(1−(h(t))2)δ(t)
LU=t=1τLh(t)h(t)U=t=1τdiag(1(h(t))2)δ(t)(x(t))T∂L∂U=∑t=1τ∂L∂h(t)∂h(t)∂U=∑t=1τdiag(1−(h(t))2)δ(t)(x(t))T

    除了梯度表达式不同,RNN的反向传播算法和DNN区别不大,因此这里就不再重复总结了。

5. RNN小结

    上面总结了通用的RNN模型和前向反向传播算法。当然,有些RNN模型会有些不同,自然前向反向传播的公式会有些不一样,但是原理基本类似。

    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一样有梯度消失时的问题,当序列很长的时候问题尤其严重。因此,上面的RNN模型一般不能直接用于应用领域。在语音识别,手写书别以及机器翻译等NLP领域实际应用比较广泛的是基于RNN模型的一个特例LSTM,下一篇我们就来讨论LSTM模型。


本文转自刘建平Pinard博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/pinard/p/6509630.html,如需转载请自行联系原作者


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