RNN

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• RNN

  • RNN 的前向过程

• LSTM

  • LSTM 的前向过程

  • 常见问题

    • LSTM 和 RNN 的区别

    • Cell state 和 Hidden state 的关系

    • LSTM 中各个门的作用是什么？

    • LSTM 前向过程（门的顺序）

• GRU

  • GRU 的前向过程

  • 常见问题

    • GRU 中各门的作用

    • GRU 与 LSTM 的区别

RNN

RNN 的前向过程

$$\begin{aligned} y_t &= W[h_{t-1},x_t] + b \\ h_t &= \tanh(a_t) \end{aligned}$$

或

$$\begin{aligned} y_t &= W[y_{t-1},x_t] + b \\ h_t &= \tanh(a_t) \end{aligned}$$

$[x1,x2]$ 表示向量拼接；RNN 为递推结构，其中 $h_0$ 一般初始化为 0；

前者来自 Elman，后者来自 Jordan；两个过程的区别仅在于当前步的输入不同，一般所说的 RNN 指的是前者；

Recurrent neural network - Wikipedia

LSTM

LSTM 的前向过程

$$\begin{aligned} f_t &= \sigma(W_f[h_{t-1},x_t] + b_t) \\ i_t &= \sigma(W_i[h_{t-1},x_t] + b_i) \\ \tilde{C}_t &= \tanh(W_C[h_{t-1},x_t] + b_C) \\ C_t &= f_t * C_{t-1} + i_t * \tilde{C}_t \\ o_t &= \sigma(W_o[h_{t-1},x_t] + b_o) \\ h_t &= o_t * \tanh(C_t) \end{aligned}$$

$[x1,x2]$ 表示向量拼接；$*$ 表示按位相乘； $f_i$：长期记忆的遗忘比重； $i_i$：短期记忆的保留比重； $\tilde{C}t$：当前时间步的 Cell 隐状态，即短期记忆；也就是普通 RNN 中的 $h_t$ $C{t-1}$：历史时间步的 Cell 隐状态，即长期记忆； $C_t$：当前时间步的 Cell 隐状态； $o_t$：当前 Cell 隐状态的输出比重； $h_t$：当前时间步的隐状态（输出）；

常见问题

LSTM 和 RNN 的区别

相关问题：Cell 状态的作用、LSTM 是如何实现长短期记忆的？

• LSTM 相比 RNN 多了一组 Cell 隐状态，记 $C$（Hidden 隐状态两者都有）；

  • $C$ 保存的是当前时间步的隐状态，具体包括来自之前（所有）时间步的隐状态 $C_{t-1}$ 和当前时间步的临时隐状态 $\tilde{C}_t$。

• 由于 Cell 的加入，使 LSTM 具备了控制长期/短期记忆比重的能力，具体来说：

  • 如果长期记忆（之前时间步）的信息不太重要，就减小 $C_{t-1}$ 的比重，反映在遗忘门的输出 $f_t$ 较小；

  • 如果短期记忆（当前时间步）的信息比较重要，就增大 $\tilde{C}_t$ 的比重，反映在记忆门的输出 $i_t$ 较大；

• 参考：

  • 对LSTM的理解 - 知乎

Cell state 和 Hidden state 的关系

如何理解 LSTM 中的 cell state 和 hidden state? - 知乎

• 从前向过程可以看到 Cell 存储了全部时间步的信息，而 Hidden 由 Cell 经过输出门后得到，可以把 Hidden 看做是网络在 Cell 基础上进行特征选择的结果；

• 一种说法是 Cell 偏向长期记忆，Hidden 偏向短期记忆；

LSTM 中各个门的作用是什么？

• “遗忘门”控制前一步记忆状态（$C_{t-1}$）中的信息有多大程度被遗忘；

• “输入门（记忆门）”控制当前的新状态（$\tilde{C}_t$）以多大的程度更新到记忆状态中；

• “输出门”控制当前输出（$h_t$）多大程度取决于当前的记忆状态（$C_t$）；

LSTM 前向过程（门的顺序）

• 遗忘门 -> 输入门 -> 输出门

GRU

GRU 的前向过程

$$\begin{aligned} z_t &= \sigma(W_z[h_{t-1},x_t] + b_z) \\ r_t &= \sigma(W_r[h_{t-1},x_t] + b_r) \\ \tilde{h}_t &= \tanh(W[r_t*h_{t-1},x_t] + b) \\ h_t &= (1-z_t)*h_{t-1} + z_t * \tilde{h}_t \end{aligned}$$

$[x1,x2]$ 表示向量拼接；$*$ 表示按位相乘；

常见问题

GRU 中各门的作用

• “更新门”用于控制前一时刻的状态信息被融合到当前状态中的程度；

• “重置门”用于控制忽略前一时刻的状态信息的程度

GRU 与 LSTM 的区别

• 合并 “遗忘门” 和 “记忆门” 为 “更新门”；

  • 其实更像是移除了 “输出门”；

• 移除 Cell 隐状态，直接使用 Hidden 代替；