吴恩达深度学习笔记（五）week1循环序列模型

为什么选择序列模型（序列模型的例子）

数学符号

x<t>$x^{<t>}$ 表示样本的第t$t$个输入
y<t>$y^{<t>}$ 表示样本的第t$t$个输出
Tx$T_x$表示输入样本的长度
Ty$T_y$表示输出的长度
x(i)<t>$x^{(i)<t>}$表示第i$i$个样本的第t$t$个输入
y(i)<t>$y^{(i)<t>}$表示第i$i$个样本的第t$t$个输出

至于如何表示每个x(i)<t>$x^{(i)<t>}$，常用的方法有one-hot-representation和distributed-representation

循环神经网络模型

为什么不选择标准神经网络

循环神经网络结构

左边是通俗的结构模型，右边是实际的结构模型，通过反馈能使当前输出不仅取决于当前输入，还受之前输入的影响。

前向传播过程

其中W$W$第一个下标代表用于计算的输出类型，第二个下标代表与W$W$做运算的数据类型。 更为简单的表示如下图。

通过时间的反向传播

定义损失函数如下。

不同循环神经网络

如第一节中的例子，实际问题中输入与输出长度有多种对应关系，为解决不同的问题需求，循环神经网络的结构也有多种

语言模型和序列生成

语言模型：一个语言模型通常构建为字符串s$s$的概率分布p(s)$p(s)$，这里的p(s)$p(s)$试图反映的是字符串s$s$作为一个句子出现的概率。–摘自统计自然语言处理（宗成庆）

用RNN构建语言模型 ，如下图所示，其中x<t>=y<t−1>$x^{<t>}=y^{<t-1>}$。输出层采用的**函数是softmax$softmax$.

对新序列进行采样 （生成特定风格文本）

用特定风格的文本训练神经网络后，可以勇气来生成相似风格的文本，下图分别是训练过程和采样过程。采样过程随机初始化输入后计算每个单词的概率，然后对每个单词进行随机采样，并把采样结果作为下一时刻的输出。

下图是用不同语料生成的不同风格文本。

带有神经网络的梯度消失

当神经网络的层数很深时，梯度可能会指数型增长（梯度爆炸）或者指数型下降（梯度消失）。当发生梯度消失时，当前层的输出很容易受局部影响，不能传播到更前的层，如下面的句子，was很难影响到cat（单数），为解决梯度消失，GRU和LSTM是有效的方法。

GRU单元（门控制循环单元）

如下为一个简化的GRU单元， c<t>$c^{<t>}$为记忆单元，其取值由c~<t>${\tilde{c}}^{<t>}$和 c<t−1>$c^{<t-1>}$共同决定，由Γu${\mathrm{\Gamma }}_u$ 控制，因为Γu${\mathrm{\Gamma }}_u$ 的**函数为sigmoid$sigmoid$函数，所以其取值基本上为0$0$和1$1$分别代表记忆单元是更新取值（c~<t>${\tilde{c}}^{<t>}$）还是保持之前的取值（c<t−1>$c^{<t-1>}$）

完整的GRU单元如下图所示 ，在计算c~<t>${\tilde{c}}^{<t>}$时给c<t−1>$c^{<t-1>}$加了个权重Γr${\mathrm{\Gamma }}_r$

长短期记忆（LSTM）

LSTM的基本思想和GRU一样，都是用控制门单元控制当前时刻的输出，但LSTM中的 c<t>$c^{<t>}$并不与 a<t>$a^{<t>}$相等，具体关系如下图。

LSTM模型如下图。

双向神经网络

构建双向神经网络的需求之一是自然语言处理中的命名实体识别，如下面的句子，判断Teddy是否为人名，不仅与之前的输入有关还与其之后的输入有关。

双向神经网络结构如下图所示。

深层循环神经网络

深层循环神经网络每个时刻的输出是经过多个隐藏层后输出的，但是因为循环神经网络需要的计算资源很大，所以循环神经网络的层数一般不会很深。