一文搞懂RNN（循環神經網路）基礎篇

神經網路基礎

神經網路可以當做是能夠擬合任意函數的黑盒子，只要訓練數據足夠，給定特定的x，就能得到希望的y，結構圖如下：

將神經網路模型訓練好之後，在輸入層給定一個x，通過網路之後就能夠在輸出層得到特定的y，那麼既然有了這麼強大的模型，為什麼還需要RNN（循環神經網路）呢？

為什麼需要RNN（循環神經網路）

他們都只能單獨的取處理一個個的輸入，前一個輸入和後一個輸入是完全沒有關係的。但是，某些任務需要能夠更好的處理序列的信息，即前面的輸入和後面的輸入是有關係的。

比如，當我們在理解一句話意思時，孤立的理解這句話的每個詞是不夠的，我們需要處理這些詞連接起來的整個序列； 當我們處理視頻的時候，我們也不能只單獨的去分析每一幀，而要分析這些幀連接起來的整個序列。

以nlp的一個最簡單詞性標註任務來說，將我 吃 蘋果 三個單詞標註詞性為 我/nn 吃/v 蘋果/nn。

那麼這個任務的輸入就是：

我 吃 蘋果 （已經分詞好的句子）

這個任務的輸出是：

我/nn 吃/v 蘋果/nn(詞性標註好的句子)

對於這個任務來說，我們當然可以直接用普通的神經網路來做，給網路的訓練數據格式了就是我-> 我/nn 這樣的多個單獨的單詞->詞性標註好的單詞。

但是很明顯，一個句子中，前一個單詞其實對於當前單詞的詞性預測是有很大影響的，比如預測蘋果的時候，由於前面的吃是一個動詞，那麼很顯然蘋果作為名詞的概率就會遠大於動詞的概率，因為動詞後面接名詞很常見，而動詞後面接動詞很少見。

所以為了解決一些這樣類似的問題，能夠更好的處理序列的信息，RNN就誕生了。

RNN結構

首先看一個簡單的循環神經網路如，它由輸入層、一個隱藏層和一個輸出層組成：

不知道初學的同學能夠理解這個圖嗎，反正我剛開始學習的時候是懵逼的，每個結點到底代表的是一個值的輸入，還是說一層的向量結點集合，如何隱藏層又可以連接到自己，等等這些疑惑~這個圖是一個比較抽象的圖。

我們現在這樣來理解，如果把上面有W的那個帶箭頭的圈去掉，它就變成了最普通的全連接神經網路。x是一個向量，它表示輸入層的值（這裡面沒有畫出來表示神經元節點的圓圈）；s是一個向量，它表示隱藏層的值（這裡隱藏層面畫了一個節點，你也可以想像這一層其實是多個節點，節點數與向量s的維度相同）；

U是輸入層到隱藏層的權重矩陣，o也是一個向量，它表示輸出層的值；V是隱藏層到輸出層的權重矩陣。

那麼，現在我們來看看W是什麼。循環神經網路的隱藏層的值s不僅僅取決於當前這次的輸入x，還取決於上一次隱藏層的值s。權重矩陣 W就是隱藏層上一次的值作為這一次的輸入的權重。

我們給出這個抽象圖對應的具體圖：

我們從上圖就能夠很清楚的看到，上一時刻的隱藏層是如何影響當前時刻的隱藏層的。

如果我們把上面的圖展開，循環神經網路也可以畫成下面這個樣子：

現在看上去就比較清楚了，這個網路在t時刻接收到輸入 之後，隱藏層的值是 ，輸出值是 。關鍵一點是， 的值不僅僅取決於 ，還取決於 。我們可以用下面的公式來表示循環神經網路的計算方法：

用公式表示如下：

總結

好了，到這裡大概講解了RNN最基本的幾個知識點，能夠幫助大家直觀的感受RNN和了解為什麼需要RNN，後續總結它的反向求導知識點。

最後給出RNN的總括圖：

致謝：夏沖和實驗室的小夥伴們 參考：零基礎入門深度學習(5) - 循環神經網路（多謝這麼好的資料)

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