RNN循环神经网络
1 为何使用RNN（Recurrent Neural Network）
传统神经网络，如卷积，全连接神经网络，同样的输入只能输出相同的输出。但在如语义识别的时候我们想要相同的输入对应不同的输出。如购票系统中，去‘’北京‘’，中的北京是目的地，而离开’北京‘，’中的北京是出发地。通过上下文来跟当前的输入来决定输出就需要使用RNN。
2 简单RNN
如下图是一个简单的RNN模型，输入层有两个神经元\((x_1,x_2)\)，隐藏层有两个神经元，输出层有两个神经元\((y_1,y_2)\)。若没有记忆单元\((a_1,a_2)\)，相同的输入\((x_1,x_2)\)一定会输出相同的\((y_1,y_2)\)。若加上记忆单元\((a_1,a_2)\)，在计算隐藏层的时候为，记忆单元乘以相应的权重\(+\)输入层乘以相应的权重，得到隐藏层，再把隐藏层的值存入记忆单元\((a_1,a_2)\)中，下次在计算隐藏层的值的时候，\((a_1,a_2)\)的值已经改变，所以算出的隐藏层的值不同，因此输出也不同。这是简单的RNN，至少实现了记忆功能。
出来上面的结构形式，还有如下图的简单RNN，区别就是一个把隐藏层的值传给记忆单元，一个把输出值传给记忆单元。
还有双向循环神经网络，通过把正向RNN跟反向RNN的隐藏层结合起来输出，来训练网络
3 LSTM（Long Short-Term Memory）
现在LSTM已经成了RNN的标准，与简单RNN不同的是，LSTM的记忆单元，由三个门控制，分别为
- 输入门（是否隐藏层的值要写入到记忆单元中）
- 遗忘门（当前记忆单元内的值是否需要洗掉）
- 输出门（是否输出新的记忆单元的值）
每个门都是一个向量，与对应需要控制的向量做元素之间的乘法，得到一个向量。基本运算如下图，即：
新的记忆单元=输入门×输入+遗忘门×记忆单元
输出向量 = 输出门×新记忆单元
这里省去了激活函数
这里的三个门的计算都为：
输入门=输入向量x×转换矩阵
遗忘门门=输入向量x×转换矩阵
输入门=输入向量x×转换矩阵
其中x可以被认为对应隐藏层的值，因为是通过隐藏层的值来更新存储单元
最终形式为
注意，上图的\(x^t,x^{t+1}\)用的是同一个网络，即求\(z^f,z^i,z,z^o\)时的参数矩阵相同
4 RNN 的梯度爆炸与梯度消失
4.1 RNN的问题
在对RNN进行训练的时候，对于总损失值我们会发现，它不会平缓下降
这是因为如果我们观察参数对损失值的图片，就会发现，总损失值的图像是十分崎岖不平的。如下图可以看出，在部分地方，参数十分微小的变化变化就会使总损失值变得十分大，因而求得的梯度值就十分大。导致参数一下更新十分大的值。
4.2 产生的原因：
前面说了，在每一个时间点，RNN使用的权重都是相同的。因而权重哪怕变化很小的值，也会对RNN的最后结果，产生很大的影响。如下图，是一个非常简单RNN，当权重w变化很小的值，最后输出会产生很大的影响。
4.3 LSTM解决梯度消失的问题
因为LSTM中新的Memory中的值为旧的Memory中的值加上输入值。所以若遗忘门不为0那么Memory中总会有值，因此总会对LSTM结果产生影响，所以不会产生梯度消失的问题。
GRU 会将输入门与遗忘门结合起来
5 RNN的应用
5.1 Many to one
情感分析，如根据一段话来分析这段话的情感
5.2 Many to Many
5.21 语音识别
输入和输出都是序列， 但是输出更短。
这也会产生一问题是，输出会有很多重复的词汇，如“你你好好好好”。一种解决方法是将重复词汇删除，但是有时候需要保留重复的词汇，如“哈哈”。
5.22 CTC（Connectionist Temporal Classification）
可以解决这个问题。就是在输出中添加符号\(\varnothing\)只把\(\varnothing\)叠加起来。训练就是将所有含\(\varnothing\)的情况都看为正确然后训练。
5.23 机器翻译
输入和输出都是序列，但是都没有固定的长度
将一种语言语音输入RNN输出另一种语言翻译，也可以。如输入英文语音直接输出中文翻译，中间没有先翻译成英文。
5.24文法解析
输入一段话，输入文法结构树
5.25 文本自动编码器
输入一段话，输出一个向量，这个向量里包含了，这段话的所有信息。
bag-of-words可以实现，不过会丢失单词的顺序信息，如下面话，bag-of-word会认为两段话一摸一样，因为单词内容一样，但是两段话是完全不同的意思。 一个积极一个消极。
做法就是，将一段话输入RNN，输出一个向量，在将这个向量放入一个RNN，输出这段话。
5.26 语音自动编码
将一段段语音讯号转化为一个个向量。这时可以看到，类似的语音转化成的向量就比较接近
训练方法如下，encoder跟decoder是一同训练的。
