CS231N–RNN
一、RNN总体分类：
循环神经网络，包含了多种结构，适用不同的情况，处理不同的序列，主要分类为：
one2one：Vanilla neural network，最简单的循环神经网络结构
one2many：Image Captioning（图像标注），用于图像生成多个序列的单词
many2one：Sentiment Classification（情感分类），用于将多文本生成一个结果
many2many：machine translate(机器翻译)，用于多序列生成多序列
many2many：帧级别的视频分类
1. RNN基本结构
- 循环的结构，将t-1的状态和t的输入经过函数f，主要是参数乘以两个状态生成新的当前状态，增加了对以前的状态的依赖性。
在每一个步骤选用的都是相同的更新函数和线性参数。
以tanh为例，RNN的函数与参数如下，tanh在RNN是常用的激活函数：
2. 计算图
- many2many的结构，一般在得到当前的状态后，乘以系数矩阵W_hy使用softmax得到y分类，与实际的y结果做比较，得到当前的损失函数，然后叠加到最终的损失函数来进行后向传播
- many2one的结构，Sentiment Classification（情感分类），用于将多文本生成一个结果
- one2many的结构，Image Captioning（图像标注），用于图像生成多个序列的单词
- many2one+one2many的结构，使用多序列生成单一序列，再通过单1序列经过另一组参数W_hh2来生成多组数据。
3. 字符级别语言模型
- 隐藏状态值h，输出层y，再通过softmax生成字符表的概率，one-shot（独热和非独热编码），然后通过反向传播训练W参数
- 根据当前的字符推测下一个字符的概率，“hello”，输出层是softmax，然后将输出预测的字符作为下一级的x输入。
4. 反向传播
最初始的想法是对整个网络进行前向传播，但是对所有网络进行反向传播。但是对于一个实际的RNN的网络，一个网络序列的深度无法确定，可能会很长，实际上不适合对所有的网络进行反向传播
通常会采用对一个块模块进行反向传播，对所有的级别进行前向传播，但是只对一个很小数量的序列进行反向传播。
- 这样有利于反向传播的稳定性，一方面避免反向传播太长导致梯度消失和梯度爆炸，另一方面保证序列间相关性。
5.RNN模仿威廉莎士比亚进行写作
6.RNN模仿进行代码写作
- RNN能够模仿出注释，但函数很多意义并不明显。
7.图像标注：结合CNN和RNN
- 将CNN最后的全连接层和分类层抛弃，将矩阵结果输出到RNN序列上，生成对应的单词进行序列标注，
- CNN起到提取图像特征的作用，成功进行标注的案例如下：
8.图像标注-注意力模型
- 让网络能够识别出该集中注意力区域，使用LSTM进行RNN分类。
二、普通RNN：
1.多层次RNN
- 增强网络效果，增大规模，实际上并不一定就比单层的RNN更好，每1层都使用相同的权重W_hl参数。
2.vanilla网络计算图
- 可以使用变换的方式，将Whh和Whx进行合并成Wh，这样有利于统一矩阵运算。
- 梯度爆炸设置阈值，梯度消失改变模型。
二、LSTM：
- RNN存在一个非常大的缺陷，那就是长期依赖性的问题。比如在文本处理中，由于距离短，RNN语言的单复数的关联性还是存在的；但比如“我出生在美国亚利桑那州，现在住在纽约，我说英语”美国与英语的关联性在这么长的距离可能就会失去关联性。
LSTM（Long Short Term）：LSTM 通过刻意的设计来避免长期依赖问题，LSTM 的关键就是细胞状态，水平线在图上方贯穿运行。细胞状态类似于传送带。直接在整个链上运行，只有一些少量的线性交互，信息在状态更新上。
LSTM设计上存在四个门：i（input）、f（forget）、o（output）、g（gate）。其中i/f/o为sigmoid门，范围为（0-1），门控用来更新不同的状态；g门用来根据隐藏状态h和输入x更新细胞状态的主要内容，严格来说g应该算门，应该是状态。
f门用来表征细胞状态被遗忘多少，0完全遗忘、1完全保留；i门和g状态将当前的状态更新到细胞状态中，可能增加了输入的一些要长期保存的特征。将当前细胞状态经过tanh的激活以后，通过o门更新为隐藏状态h。
实际上h与c的相似性比较大，总觉得整个单元结果存在很大的冗余性，而且这样操作隐藏状态h的作用没有发挥的太大，但这是多样性的一个体现。
LSTM存在一个特点：只使用一组权重W进行更新，也不好说是优点还是缺点。
- 反向传播对于细胞状态的更新可以实现在整个网络中进行，形成完整的梯度流。
三、GRU：
GRU作为LSTM的一个变种，将隐藏状态和细胞状态结合在一起，降低了单元的冗余度，整个单元变得更加简单。
不用在将LSTM的多种门结合到GRU中来解释，r和z都起到了记忆和遗忘作用，将过去的隐藏状态更新到了当前状态。z决定了最终更新是遗忘过去更多，还是忽略当前更多，这是一个概率为1的互补事件。而在当前的临时状态中，r也起到了对过去隐藏状态的保留程度。因此在
与LSTM相比，GRU有3组权重待更新，对于细胞状态中，权重用来表征选择，相当于增加网络的多样性，用来选择对长短期效应的记录，感觉会更加完善，但是如果一组权重就够用，这也就变成冗余性。与LSTM类似，这是一个互补。
每一种LSTM及其变种之间的效率都差别不大，通用型都差不多，但是各自可能有各自的最合适的情况，很难评定谁更优，除非出现一种新的结构，而不是简单的改变。