机器学习--循环神经网路（RNN）2

在这篇文章中，我们介绍一下其他的RNN。

一.深层RNN

循环神经网络的架构是可以任意设计的，之前提到的 RNN 只有一个隐藏层，但 RNN 也可以是深层的。比如把 xt 丢进去之后，它可以通过一个隐藏层，再通过第二个隐藏层，以此类推 (通过很多的隐藏层) 才得到最后的输出。
每一个隐藏层的输出都会被存在记忆元里面，在下一个时间点的时候，每一个隐藏层会把前一个时间点存的值再读出来，以此类推最后得到输出，这个过程会一直持续下去。

二. Elman 网络 &Jordan 网络

循环神经网络会有不同的变形，如下图所示，刚才讲的是简单循环网络（Simple Recurrent Network，SRN），即把隐藏层的值存起来，在下一个时间点在读出来。
Jordan 网络存的是整个网络输出的值，它把输出值在下一个时间点在读进来，把输出存到记忆元里。Elman 网络（简单循环网络也称为 Elman 网络）没有目标，很难控制说它能学到什么隐藏层信息（学到什么放到记忆元里），但是 Jordan 网络是有目标，比较很清楚记忆元存储的东西。

三. 双向循环神经网络

循环神经网络还可以是双向。
刚才 RNN 输入一个句子，它就是从句首一直读到句尾。如下图所示，假设句子里的每一个单词用 xt 表示，其是先读 xt，再读 xt+1、xt+2。

但其读取方向也可以是反过来的，它可以先读 xt+2，再读 xt+1、xt。我们可以同时训练一个正向的循环神经网络，又可以训练一个逆向的循环神经网络，然后把这两个循环神经网络的隐藏层拿出来，都接给一个输出层得到最后的 yt。所以把正向的网络在输入 xt 的时候跟逆向的网络在输入 xt 时，都丢到输出层产生 yt，产生 yt+1, yt+2，以此类推。

双向循环神经网络（Bidirectional Recurrent Neural Network，Bi-RNN）的好处是，神经元产生输出的时候，它看的范围是比较广的。
如果只有正向的网络，再产生 yt、yt+1 的时候，神经元只看过 x1 到xt+1的输入。但双向循环神经网络产生yt+1的时候，网络不只是看过x1,到xt+1所有的输入，它也看了从句尾到xt+1的输入。网络就等于整个输入的序列。
假设考虑的是槽填充，网络就等于看了整个句子后，才决定每一个单词的槽，这样会比看句子的一半还要得到更好的性能。

四、长短期记忆网络

最常用的记忆元是长短期记忆网络（Long Short-Term Memory network，LSTM），长时间
的短期记忆（之前的循环神经网络，它的记忆元在每一个时间点都会被洗掉，只要有新的输入进来，每一个时间点都会把记忆元洗掉，所以的短期是非常短的，但如果是长时间的短期记忆元，它记得会比较久一点，只要遗忘门不要决定要忘记，它的值就会被存起来）。

LSTM 是比较复杂的。LSTM 有三个门（gate），当外界某个神经元的输出想要被写到记忆元里面的时候，必须通过一个输入门（input gate），输入门要被打开的时候，才能把值写到记忆元里面。如果把这个关起来的话，就没有办法把值写进去。
输入门的开关是神经网络自己学的，其可以自己学什么时候要把输入门打开，什么时候要把输入门关起来。

输出的地方也有一个输出门（output gate），输出门会决定外界其他的神经元能否从这个记忆元里面把值读出来。把输出门关闭的时候是没有办法把值读出来，输出门打开的时候才可以把值读出来。跟输入门一样，输出门什么时候打开什么时候关闭，网络是自己学到的。

第三个门称为遗忘门（forget gate），遗忘门决定什么时候记忆元要把过去记得的东西忘掉。这个遗忘门什么时候会把存在记忆元的值忘掉，什么时候会把存在记忆元里面的值继续保留下来，这也是网络自己学到的。

整个 LSTM 可以看成有 4 个输入、1 个输出。在这 4 个输入中，一个是想要被存在记忆元的值，但不一定能存进去，还有操控输入门的信号、操控输出门的信号、操控遗忘门的信号，有着四个输入但它只会得到一个输出。

记忆元的对应计算公式：

如下图所示，下面这个是外界传入单元的输入，还有输入门、遗忘门和输出门。
假设要被存到单元的输入叫做 z，操控输入门的信号为 zi，操控遗忘门的信号为 zf，操控输出门为 zo，综合这些东西会得到一个输出记为 a。
假设单元里面有这四个输入之前，它里面已经存了值 c。输出 a 会长什么样子呢，把 z 通过激活函数得到 g(z)，zi 通过另外一个激活函数得到 f(zi) （激活函数通常会选择 sigmoid 函数），因为其值介在0到1之间的（sigmoid函数不清楚的可以去看之前的文章），这个0到1之间的值代表了这个门被打开的程度。（如果 f 的输出是1，表示为被打开的状态，反之代表这个门是关起来的）。

把 g(z) 乘以 f(zi) 得到 g(z)f(zi)，对于遗忘门的 zf，也通过 sigmoid 的函数得到f(zf)
接下来把存到记忆元里面的值 c 乘以 f(zf) 得到 c f(zf)，加起来 c′= g(z)f(zi)+cf(zf)，那么 c′ 就是重新存到记忆元里面的值。所以根据目前的运算，这个 f(zi) 控制这个 g(z)。
假设输入 f(zi)=0，那 g(z)f(zi) 就等于 0，就相当于没有输入，如果 f(zi) 等于 1 就等于是把 g(z) 当做输入。
那这个 f(zf ) 决定是否要把存在记忆元的值洗掉，假设 f(zf ) = 1，遗忘门开启的时候，这时候 c 会直接通过，把之前的值还会记得。
如果 f(zf) = 0(遗忘门关闭的时候) cf(zf ) 等于 0。
然后把这个两个值加起来 (c′= g(z)f(zi) + cf(zf)) 写到记忆元里面得到c′。这个遗忘门的开关是跟直觉是相反的，遗忘门打开的时候代表的是记得，关闭的时候代表的是遗忘。
那这个 c′ 通过 h(c′)，将 h(c′) 乘以 f(zo) 得到 a = f(c′f(zo)）。
输出门受 f(zo) 所操控，f(zo) 等于 1 的话，就说明 h(c′) 能通过，f(zo) 等于 0 的话，说明记忆元里面存在的值没有办法通过输出门被读取出来。

在下一篇文章中我们再来详细探讨LSTM的原理。