深度学习500问——Chapter06： 循环神经网络（RNN）（4）

6.14 常见的RNNs扩展和改进模型

6.14.1 Simple RNNs（SRNs）

1. SRNs是一个三层网络，其在隐藏层增加了上下文单元。下图中的

y

是隐藏层，

u

是上下文单元。上下文单元节点与隐藏层中节点的连接是固定的，并且权值也是固定的。上下文节点与隐藏层节点一一对应，并且值是确定的。

1. 在每一步中，使用标准的前向反馈进行传播，然后使用学习算法进行学习。上下文每一个节点保存其连接隐藏层节点上一步输出，即保存上文，并作用于当前步对应的隐藏层节点状态，即隐藏层的输入由输出与上一步的自身状态所决定。因此SRNs能够解决标准多层感知机（MLP）无法解决的对序列数据进行预测的问题。SRNs网络结构如下图所示：

6.14.2 Bidirectional RNNs

Bidirectional RNNs（双向网络）将两层RNNs叠加在一起，当前时刻输出（第t步的输出）不仅仅与之前序列有关，还与之后序列有关。例如：为了预测一个语句中的缺失词语，就需要该词汇的上下文信息。Bidirectional RNNs是一个相对较简单的RNNs，是由两个RNNs上下叠加在一起组成的。输出由前向RNNs和后向RNNs共同决定。如下图所示：

6.14.3 Deep RNNs

Deep RNNs与Bidirectional RNNs相似，其也是有多层RNNs叠加，因此每一步的输入有了多层网络。该网络具有更强大的表达与学习能力，但是复杂性也随之提高，同时需要更多的训练数据。Deep RNNs的结构如下图所示：

6.14.4 Echo State Networks（ESNs）

ESNs特点：

1. 它的核心结构为一个随机生成、且保持不变的储备池（Reservoir）。储备池是大规模随机生成稀疏连接（SD通常保持1%~5%，SD表示储备池中互相连接的神经元占总神经元个数N的比例）的循环结构；
2. 从储备池到输出层的权值矩阵是唯一需要调整的部分；
3. 简单的线性回归便能够完成网络训练。

ESNs基本思想：

使用大规模随机连接的循环网络取代经典神经网络中的中间层，从而简化网络的训练过程。网络中的参数包括：

（1）W-储备池中节点间连接权值矩阵；

（2）Win-输入层到储备池之间连接权值矩阵，表明储备池中的神经元之间是相互连接；

（3）Wback-输出层到储备池之间的反馈连接权值矩阵，表明储备池会有输出层来的反馈；

（4）Wout-输入层、储备池、输出层到输出层的连接权值矩阵，表明输出层不仅与储备池连接，还与输入层和自己连接；

（5）Woutbias-输出层的偏置项。

ESNs的结构如下图所示：

6.14.5 Gated Recurrent Unit Recurrent Neural Networks

GRUs是一般的RNNs的变型版本，其主要是从以下两个方面进行改进：

1. 以语句为例，序列中不同单词处的数据对当前隐藏层状态的影响不同，越前面的影响越小，即每个之前状态对当前的影响进行了距离加权，距离越远，权值越小。
2. 在产生误差error时，其可能是由之前某一个或几个单词共同造成，所以应当对对应的单词weight进行更新。GRUs的结构如下图所示。GRUs首先根据当前输入单词向量word vector以及前一个隐藏层状态hidden state计算出update gate和reset gate。再根据reset gate、当前word vector以及前一个hidden state计算新的记忆单元内容（new memory content）。当reset gate为1的时候，new memory content忽略之前所有的memory content，最终的memory是由之前的hidden state与new memory content一起决定。

6.14.6 Bidirectional LSTMs

1. 与bidirectional RNNs类似，bidirectional LSTMs有两层LSTMs。一层处理过去的训练信息。另一层处理将来的训练信息。
2. 在bidirectional LSTMs中，通过前向LSTMs获得前向隐藏状态，后向LSTMs获得后向隐藏状态，当前隐藏状态是前向隐藏状态与后向隐藏状态的组合。

6.14.7 Stacked LSTMs

1. 与deep rnns 类似，stacked LSTMs通过将多层LSTMs叠加起来得到一个更加复杂的模型。
2. 不同于bidirectional LSTMs，stacked LSTMs只利用之前步骤的训练信息。

6.14.8 Clockwork RNNs（CW-RNNs）

CW-RNNs是RNNs的改良版本，其使用时钟频率来驱动。它将隐藏层分为几个块(组，Group/Module)，每一组按照自己规定的时钟频率对输入进行处理。为了降低RNNs的复杂度，CW-RNNs减少了参数数量，并且提高了网络性能，加速网络训练。CW-RNNs通过不同隐藏层模块在不同时钟频率下工作来解决长时依赖问题。将时钟时间进行离散化，不同的隐藏层组将在不同时刻进行工作。因此，所有的隐藏层组在每一步不会全部同时工作，这样便会加快网络的训练。并且，时钟周期小组的神经元不会连接到时钟周期大组的神经元，只允许周期大的神经元连接到周期小的(组与组之间的连接以及信息传递是有向的)。周期大的速度慢，周期小的速度快，因此是速度慢的神经元连速度快的神经元，反之则不成立。

​ CW-RNNs与SRNs网络结构类似，也包括输入层(Input)、隐藏层(Hidden)、输出层(Output)，它们之间存在前向连接，输入层到隐藏层连接，隐藏层到输出层连接。但是与SRN不同的是，隐藏层中的神经元会被划分为若干个组，设为，每一组中的神经元个数相同，设为，并为每一个组分配一个时钟周期，每一组中的所有神经元都是全连接，但是组到组的循环连接则需要满足大于。如下图所示，将这些组按照时钟周期递增从左到右进行排序，即，那么连接便是从右到左。例如：隐藏层共有256个节点，分为四组，周期分别是[1,2,4,8]，那么每个隐藏层组256/4=64个节点，第一组隐藏层与隐藏层的连接矩阵为64\times​64的矩阵，第二层的矩阵则为矩阵，第三组为矩阵，第四组为矩阵。这就解释了上一段中速度慢的组连接到速度快的组，反之则不成立。

CW-RNNs的网络结构如下图所示：

6.14.9 CNN-LSTMs

为了同时利用CNN以及LSTMs的优点，CNN-LSTMs被提出。在该模型中，CNN用于提取对象特征，LSTMs用于预测。CNN由于卷积特性，其能够快速而且准确地捕捉对象特征。LSTMs的优点在于能够捕捉数据间的长时依赖性。

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