神经网络！图解！-技术圈

神经网络！图解！

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· 2021-05-19

来源：机器学习算法与Python实战

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本文为你总结RNN模型结构的优缺点。

标签：神经网络

神经网络是深度学习的载体，而神经网络模型中，最经典非RNN模型所属，尽管它不完美，但它具有学习历史信息的能力。后面不管是encode-decode 框架，还是注意力模型，以及自注意力模型，以及更加强大的Bert模型家族，都是站在RNN的肩上，不断演化、变强的。

这篇文章，阐述了RNN的方方面面，包括模型结构，优缺点，RNN模型的几种应用，RNN常使用的激活函数，RNN的缺陷，以及GRU，LSTM是如何试图解决这些问题，RNN变体等。

这篇文章最大特点是图解版本，其次语言简练，总结全面。

传统RNN的体系结构。Recurrent neural networks，也称为RNNs，是一类允许先前的输出用作输入，同时具有隐藏状态的神经网络。它们通常如下所示：

对于每一时间步t，激活函数

输出

被表达为：

这里

是时间维度网络的共享权重系数，

是激活函数。

下表总结了典型RNN架构的优缺点：

RNNs应用

RNN模型主要应用于自然语言处理和语音识别领域。下表总结了不同的应用：

损失函数

对于RNN网络，所有时间步的损失函数L是根据每个时间步的损失定义的，如下所示：

时间反向传播

在每个时间点进行反向传播。在时间T，损失L相对于权重矩阵W的偏导数表示如下：

常用激活函数

RNN模块中最常用的激活函数描述如下：

梯度消失/爆炸

在RNN中经常遇到梯度消失和爆炸现象。之所以会发生这种情况，是因为很难捕捉到长期的依赖关系，因为乘法梯度可以随着层的数量呈指数递减/递增。

梯度修剪

梯度修剪是一种技术，用于执行反向传播时，有时遇到的梯度爆炸问题。通过限制梯度的最大值，这种现象在实践中得以控制。

门的类型

为了解决消失梯度问题，在某些类型的RNN中使用特定的门，并且通常有明确的目的。它们通常标注为

，等于：

其中，W，U，b是特定于门的系数，

是sigmoid函数。主要内容总结如下表：

GRU/LSTM

Gated Recurrent Unit（GRU）和长-短期记忆单元（LSTM）处理传统RNNs遇到的消失梯度问题，LSTM是GRU的推广。下表总结了每种结构的特征方程：

注：符号*表示两个向量之间按元素相乘。

RNN的变体

下表总结了其他常用的RNN模型：

参考文献：

https://stanford.edu/~shervine/teaching/cs-230/cheatsheet-recurrent-neural-networks

编辑：黄继彦