传统RNN模型

一.前言

上一章节介绍了一下RNN模型，而本章节主要是要了解传统RNN的内部结构及计算公式，掌握Pytorch中传统RNN⼯具的使⽤.以及了解传统RNN的优势与缺点.

二.RNN结构分析

结构解释图:

内部结构分析:

我们把⽬光集中在中间的⽅块部分, 它的输⼊有两部分, 分别是h(t-1)以及x(t), 代表上⼀时间步的隐 层输出, 以及此时间步的输⼊, 它们进⼊RNN结构体后, 会"融合"到⼀起, 这种融合我们根据结构解 释可知, 是将⼆者进⾏拼接, 形成新的张量[x(t), h(t-1)], 之后这个新的张量将通过⼀个全连接层(线 性层), 该层使⽤tanh作为激活函数, 最终得到该时间步的输出h(t), 它将作为下⼀个时间步的输⼊ 和x(t+1)⼀起进⼊结构体. 以此类推. 

内部结构过程演示:

根据结构分析得出内部计算公式:

tips:W_t [x_t, h_{t-1}] 就是代码中的nn.Linear(N, M), 相当于神经网络中的一个全连接层！！！

代码nn.Linear(N, M) 相当于矩阵W的维度是 [N, M]  

激活函数tanh的作⽤:

⽤于帮助调节流经⽹络的值, tanh函数将值压缩在-1和1之间. 

三.使用Pytorch构建RNN模型 

位置: 在torch.nn⼯具包之中, 通过torch.nn.RNN可调⽤

nn.RNN类初始化主要参数解释:

input_size: 输⼊张量x中特征维度的⼤⼩

hidden_size: 隐层张量h中特征维度的⼤⼩

num_layers: 隐含层的数量

nonlinearity: 激活函数的选择, 默认是tanh 

nn.RNN类实例化对象主要参数解释:

input: 输⼊张量x

h0: 初始化的隐层张量h 

 nn.RNN使⽤示例：

import torch
import torch.nn as nn# 输入维度5，隐藏层维度6，1层
rnn = nn.RNN(5, 6, 1)# 输入数据：形状 (seq_len=1, batch_size=3, input_size=5)
input = torch.randn(1, 3, 5)#(num_layers=1, batch_size=3, hidden_size=6)
h0 = torch.randn(1, 3, 6)
output, hn = rnn(input, h0)print(output)print(hn)

当然这些是要相等的，大家可以理解一下 

四. 传统RNN优缺点

传统RNN的优势 ：

由于内部结构简单, 对计算资源要求低, 相⽐之后我们要学习的RNN变体:LSTM和GRU模型参数总量少 了很多, 在短序列任务上性能和效果都表现优异. 

传统RNN的缺点: 

传统RNN在解决⻓序列之间的关联时, 通过实践，证明经典RNN表现很差, 原因是在进⾏反向传播的时 候, 过⻓的序列导致梯度的计算异常, 发⽣梯度消失或爆炸.

梯度消失或爆炸介绍：

根据反向传播算法和链式法则, 梯度的计算可以简化为以下公式

其中sigmoid的导数值域是固定的, 在[0, 0.25]之间, ⽽⼀旦公式中的w也⼩于1, 那么通过这样的公式连 乘后, 最终的梯度就会变得⾮常⾮常⼩, 这种现象称作梯度消失. 反之, 如果我们⼈为的增⼤w的值, 使其 ⼤于1, 那么连乘够就可能造成梯度过⼤, 称作梯度爆炸.

梯度消失或爆炸的危害:

如果在训练过程中发⽣了梯度消失，权重⽆法被更新，最终导致训练失败; 梯度爆炸所带来的梯 度过⼤，⼤幅度更新⽹络参数，在极端情况下，结果会溢出（NaN值）. 

五.总结 

今天我们学习了传统rnn模型的具体代码实现以及优缺点，这里就是不给大家总结了，内容也比较少，期待大家的点赞关注加收藏。