《神经网络》—— 循环神经网络RNN（Recurrent Neural Network）

一、RNN 简单介绍

• 循环神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）是一种用于处理序列数据的神经网络架构。

• 与传统的前馈神经网络（Feedforward Neural Network, FNN）不同，传统的前馈神经网络无法训练出具有顺序的数据，在模型搭建时没有考虑数据上下之间的关系

• RNN 能够在处理当前输入时考虑到之前的输入信息，可以保留之前输入的信息并继续作为后续输入的一部分进行计算，具有记忆性，因此非常适合处理时间序列数据、文本数据等具有序列特性的数据。

二、RNN 基本结构

• RNN的基本结构包括输入层、隐藏层和输出层。
• 特别地，RNN的隐藏层有一个反馈连接，使其能够保留前一时刻的状态信息。这种结构使得RNN在处理序列数据时，能够将前一时刻的信息传递给当前时刻，从而实现记忆功能。

1.隐藏中的计算

• RNN 的隐藏层中引入了 隐状态 h（hidden state）的概念，隐状态 h 可以对序列形的数据提取特征，接着再转换为输出。
• 下面是处理序列数据长度为4的RNN网络结构图：
  
• 隐藏层中隐状态 h 的计算过程如下：
  
  • 每个隐状态 h 的计算结果都将会传入下一个计算的过程，从而实现记忆的功能
  • 其中：
    • x 是每一个输入
    • h0 是起始的一个偏执隐状态 h
    • U 是隐状态到隐状态的权重矩阵
    • W 是输入到隐状态的权重矩阵
    • b 是隐藏层的偏置项
    • f 是激活函数，如Tanh或ReLU
  • 计算隐状态时，每层隐藏层中的参数（如权重矩阵和偏置向量）在相同层内是相同的，即所谓的参数共享
  • 这种参数共享机制减少了模型中的参数数量，使得RNN能够更有效地处理序列数据，并且有助于模型学习到序列中的时间依赖性和上下文信息。

2.输出层的计算

• 输出层通常根据隐状态 h 来计算，下面是输出层的计算过程：
  
• 其中：
  • V 是隐状态到输出的权重矩阵
  • c 是输出层的偏置项
  • 输出层的激活函数通常是Softmax用于分类任务
• 注意：输入和输出序列必须要是等长的

3.循环

• 1.循环的基本概念
  • 在RNN中，“循环”指的是网络在处理输入序列时，能够保持并传递之前的状态信息到后续的时间步中。这种机制使得RNN能够捕捉到序列数据中的时间依赖性，即当前时刻的输出不仅与当前时刻的输入有关，还与之前时刻的输入和状态有关。
• 2.循环的实现方式
  • RNN通过引入隐状态（hidden state）和循环连接（recurrent connection）来实现信息的循环传递。隐状态是一个向量，它包含了网络在处理当前输入之前所积累的信息。循环连接则是指隐状态在当前时间步被更新后，会作为下一个时间步的输入之一，从而形成一个闭环结构。
  • 如下图：
    

三、RNN 优缺点

1.优点

• 能够处理序列数据：RNN能够利用之前的输入信息，适用于时间序列分析、自然语言处理等任务。
• 结构简单：相比于其他复杂的神经网络架构，RNN的结构相对简单，易于理解和实现。

2.缺点

• 梯度消失/梯度爆炸：RNN在处理长序列时，容易出现梯度消失或梯度爆炸问题，导致难以捕捉长距离依赖关系。
• 记忆能力有限：虽然RNN具有记忆功能，但其记忆能力有限，难以处理非常长的序列。

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