跟着问题学12——GRU详解

   

1 GRU

1. 什么是GRU

GRU（Gate Recurrent Unit）是循环神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）的一种。和LSTM（Long-Short Term Memory）一样，也是为了解决长期记忆

和反向传播中的梯度等问题而提出来的。

GRU和LSTM在很多情况下实际表现上相差无几，那么为什么我们要使用新人GRU（2014年提出）而不是相对经受了更多考验的LSTM（1997提出）呢。

下图1-1引用论文中的一段话来说明GRU的优势所在。

图1-1 R-NET: MACHINE READING COMPREHENSION WITH SELF-MATCHING NETWORKS（2017）

简单译文：我们在我们的实验中选择GRU是因为它的实验效果与LSTM相似，但是更易于计算。

相比LSTM，使用GRU能够达到相当的效果，并且相比之下更容易进行训练，能够很大程度上提高训练效率，因此很多时候会更倾向于使用GRU。

OK，那么为什么说GRU更容易进行训练呢，下面开始介绍一下GRU的内部结构。

RNN的缺陷——长期依赖的问题 （The Problem of Long-Term Dependencies）

RNNs的一个吸引人的地方是，他们可能能够将以前的信息与现在的任务联系起来，例如使用视频前面的几帧画面可能有助于理解现在这一帧的画面。如果RNNs能做到这一点，它们将非常有用。但它们能不能有效，这得视情况而定。

但也有一些情况，我们需要更多的上下文。试着预测课文中的最后一个单词“我在法国长大……我说一口流利的法语。”“最近的信息显示，下一个单词很可能是一种语言的名字，但如果我们想缩小范围，我们需要更早的法语语境。”相关信息与需要它的点之间的差距完全有可能变得非常大。

不幸的是，随着这种差距的扩大，RNNs无法学会连接信息。

从理论上讲，RNN绝对有能力处理这种“长期依赖性”。人们可以为他们精心选择参数，以解决这种形式的问题。遗憾的是，在实践中，RNN似乎无法学习它们。 Hochreiter (1991) [German]和 Bengio, et al. (1994)等人对此问题进行了深入探讨。 他们发现了一些RNN很难做到的根本原因。【http://ai.dinfo.unifi.it/paolo//ps/tnn-94-gradient.pdf

http://people.idsia.ch/~juergen/SeppHochreiter1991ThesisAdvisorSchmidhuber.pdf】

幸运的是，LSTM没有这个问题！

总体结构框架

多层感知机（线性连接层）

从特征角度考虑：输入特征是n*1的单维向量（这也是为什么linear层前要把所有特征层展平的原因），然后根据隐含层神经元的数量m将前层输入的特征用m*1的单维向量进行表示（对特征进行了提取变换），单个隐含层的神经元数量就代表网络参数，可以设置多个隐含层；最终根据输出层的神经元数量y输出y*1的单维向量。

卷积神经网络

 从特征角度考虑：输入特征是width*height*channel的张量， 然后根据通道channel的数量c会有c个卷积核将前层输入的特征用k*k*c的张量进行卷积（对特征进行了提取变换，k为卷积核尺寸），卷积核的大小和数量k*k*c就代表网络参数，可以设置多个隐含层；每一个channel都代表提取某方面的一种特征，该特征用width*height的二维张量表示，不同特征层之间是相互独立的（可以进行融合）。最终根据场景的需要设置后面的输出。

RNN&LSTM&GRU

从特征角度考虑：输入特征是T_seq*feature_size的张量（T_seq代表序列长度），每个时刻t可以类似于CNN的通道channel，只是时刻t的特征（channel）是和t之前时刻的特征（channel）相关联的，所以H_t是由X_t和H_t-1共同作为输入决定的，每个时刻t的特征表示是用feature_size*1的单维向量表示的，每个隐状态H_t类似于一个channel，特征的表示是用hidden_size*1的单维向量表示的，H_t的channel总数就是输入的序列长度，所以一个隐含层是T_seq*hidden_size的张量,如图中所示，同一个隐含层不同时刻的参数W_ih和W_hh是共享的；隐含层可以有num_layers个（图中只有1个）

以t时刻具体阐述一下：

X_t是t时刻的输入，是一个feature_size*1的向量

W_ih是输入层到隐藏层的权重矩阵

H_t是t时刻的隐藏层的值,是一个hidden_size*1的向量

W_hh是上一时刻的隐藏层的值传入到下一时刻的隐藏层时的权重矩阵

Ot是t时刻RNN网络的输出

从上右图中可以看出这个RNN网络在t时刻接受了输入Xt之后，隐藏层的值是St，输出的值是Ot。但是从结构图中我们可以发现St并不单单只是由Xt决定，还与t-1时刻的隐藏层的值St-1有关。

2.1 GRU的输入输出结构

GRU的输入输出结构与普通的RNN是一样的。有一个当前的输入xt，和上一个节点传递下来的隐状态（hidden state）ht-1 ，这个隐状态包含了之前节点的相关信息。结合xt和 ht-1，GRU会得到当前隐藏节点的输出yt 和传递给下一个节点的隐状态 ht。

图2-1 GRU的输入输出结构

那么，GRU到底有什么特别之处呢？下面来对它的内部结构进行分析！

2.2 GRU的内部结构

首先，我们先通过上一个传输下来的状态

和当前节点的输入 来获取两个门控状态。如下图2-2所示，其中 控制重置的门控（reset gate），

为控制更新的门控（update gate）。

Tips：

为sigmoid函数，通过这个函数可以将数据变换为0-1范围内的数值，从而来充当门控信号。

得到门控信号之后，首先使用重置门控来得到“重置”之后的数据 ，再将 与输入 进行拼接，再通过一个tanh激活函数来将数据放缩到-1~1的范围内。即得到如下图2-3所示的 。

这里的 主要是包含了当前输入的 数据。有针对性地对 添加到当前的隐藏状态，相当于”记忆了当前时刻的状态“。

图2-4中的 是Hadamard Product，也就是操作矩阵中对应的元素相乘，因此要求两个相乘矩阵是同型的。 则代表进行矩阵加法操作。

最后介绍GRU最关键的一个步骤，我们可以称之为”更新记忆“阶段。

在这个阶段，我们同时进行了遗忘了记忆两个步骤。我们使用了先前得到的更新门控 （update gate）。

首先再次强调一下，门控信号（这里的 ）的范围为0~1。门控信号越接近1，代表”记忆“下来的数据越多；而越接近0则代表”遗忘“的越多。

概括来说，GRU将遗忘和输入门组合成一个“更新门”。“它还融合了细胞状态和隐藏状态，并做出一些其他的改变。得到的模型比标准LSTM模型更简单，并且越来越受欢迎。

参考资料

https://zhuanlan.zhihu.com/p/32481747

https://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/courses/MLDS_2018/Lecture/Seq%20(v2).pdf

https://www.bilibili.com/video/BV1jm4y1Q7uh/?spm_id_from=333.788&vd_source=cf7630d31a6ad93edecfb6c5d361c659