今天我们主要讨论的循环神经网络，到底循环神经网络能解决什么问题，它的结构是怎样的？有什么优缺点？应该在那些领域上上？本文将跟大家一起探讨。

讲到AI不得不讲深度学习，而讲到深度学习，又不能不讲循环神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）。如果把深度学习比作中国的互联网界，那循环神经网络和卷积神经网络就是腾讯和阿里级别的地位。

看这篇文章之前，建议大家先看下我前面写的两篇文章《深度学习到底有多深？》、《入门AI：卷积神经网络》，本文讨论的内容跟前面写的文章有很强的关联性，看完可能更容易理解本文所讨论的内容。

照例，先给个概述图：

为了方便，在下文中我们用RNN来表示循环神经网络。

一、为什么需要RNN？

我们先来看一个订票系统：

假设我们在订票系统中输入一句话“我将在7月20号去深圳”，那么订票系统就会这句话中的词进行分类，专业术语叫填槽（slot filling）。

那订票系统会把这些词分别填到3个槽中：

目的地：深圳时间：7月20号其他类型：我、将、在、去

补充下神经网络的知识，要实现这个分类的话，我们可以搭一个网络架构。

当输入“深圳”，经过网络系统后，会判断出“深圳”属于目的地槽的概率是多少，然后决定是否属于目的地槽。

但是，假设我们再输入另外一句话“我将在7月20号离开深圳”，机器能正确处理吗？

对于普通的神经网络，同样的输入，肯定会是同样的输出，因此如果同一个网络输入这两句的“深圳”的话，那机器肯定会把他们归到同一个槽，这样肯定是错了。

那怎么办？假设我们在输入“深圳”的时候，机器根据上下文的词，再输出结果。这样是不是有可能解决问题了，没错，这就是RNN要做的事。

具体RNN怎么工作的，接着往下看。

二、RNN的工作原理1. RNN的工作原理

RNN的工作原理图：

在神经网络里，每一个神经元的输出，都会被记得绿色的方块里，然后下一次输入的时候，不仅要考虑红色的输入，还要考虑被记在绿色里面的值。

也就是：新的输出是由新的输入和被之前所记下来的值所决定的。

这样的话，我们前面所讨论的问题就可以解决了：

当输入第一句话的“深圳”时，我们记住前面输入的是“去”，然后就把“深圳”归为目的地。

当输入第二句话的“深圳”时，我们记住前面输入的是“离开”，然后就把“深圳”归为出发地。

因此，我们可以看到RNN最主要的两个特点：

新的输出是由新的输入和之前的输出共同决定的。对于同一个输入，可能会输出不同的结果。

2. RNN的其他架构

如上左图的架构，是每一个神经元的输出都会被记起来。

如上右图的架构，是网络的最终输出的值才会被记起来。

双向RNN：

假设我输入一句 “7月20号，深圳，我来了”，如果用我们之前讨论的网络，就可能有问题。因为之前的网络只能考虑输入在“深圳”之前的内容，没办法考虑在“深圳”之后的内容，而“来”在“深圳之后”，所以网络就不知道“深圳”是目的还是出发地了。

那双向RNN就可以解决这个问题：

双向RNN是把同一句话，按正反两个顺序一起丢到网络里去训练，然后综合考虑正反两个顺序再决定输出结果。因此，双向RNN不仅考虑了前文，还考虑的后文。

到此为止，我们讨论的都都是最简单的RNN，但现实可能存在更加复杂的场景。

我们前面讨论的都是输入“深圳”只会考虑跟它相邻的那个值，如果跟它相距比较远，可能就没办法处理了，比如：我们输入“离开了，7月20号，我美丽的深圳”。

那要怎么解决这样的问题呢？下面我们就来介绍下，RNN中最经典，也是现在最常用的模型：LSTM（Long short-term memory）。

三、 LSTM

结构图：

由四部分组成：输入门、输出门、忘记门、记忆单元

输入门（Input gate）：决定外界能不能把数据写入记忆单元，只有输入门打开的时候，才能写入数据；输出门（Output gate）：决定外界能不能从记忆单元里读取数据，只有输出门打开的时候打，才能读取数据；忘记门（Forget gate）：决定什么时候把记忆单元里的数据清除，打开的时候是不清除的，关闭的时候就会清除；记忆单元（Memory cell）：就是存储数据。

每个门什么打开，什么时候关闭？都是机器自己学的。

具体的计算逻辑：

这个是纯数学逻辑了，大家看下就好，看不明白也没关系，入门不必深究。

从上图我们可以看出，LSTM是需要4个输入，才会有一个输出的。

小结：

LSTM最大的特点就是：可以有很长时间或距离的记忆能力，而普通的RNN不能记住间距大的信息。

除此之外，LSTM对还能对梯度消失和梯度爆炸有比较好的处理效果。

备注：对于不知道什么是梯度下降的同学，可以翻下之前的文章。这里简单介绍下什么是梯度消失和梯度爆炸。

梯度消失：误差梯度的值变化得太小，没办法移动了，导致机器停止学习；

梯度爆炸：误差梯度变化非常大，网络参数大幅更新，导致网络不稳定。

四、总结1. RNN小结

RNN是根据“人的认知是基于过往经验和记忆”这一观点提出的，它不仅考虑当前时刻的输入，还考虑对前面内容记忆。即RNN 对之前发生在数据序列中的事是有一定记忆的，对处理有序列的问题效果比较好。

2. RNN与CNN的不同点

前一输入跟下一输入是否有关联：

CNN ：前一个输入和下一个输入之间没有任何关联，因此所有的输出都是独立的。RNN：前一个输入和下一个输入之间没有任何关联，共同决定新的输出

前馈或反馈网络：

CNN：属于前馈神经网络RNN：属于反馈神经网络

备注：什么是前馈网络？什么是反馈网络？

前馈网络：每一层中的神经元接收前一层神经元的输出，并输出到下一层神经元，整个网络中的信息是朝着一个方向传播的，没有反向的信息传播；

反馈网络：反馈神经网络中神经元不但可以接收其他神经元的信号，而且可以接收自己的反馈信号。

3. RNN的主要应用领域

用RNN处理需要考虑时间先后顺序的问题，效果都很不错，例如：

自然语言处理（NLP）语音识别机器翻译图像描述生成文本相识度处理等

好了，到这里就介绍完了RNN。

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题图来自Unsplash，基于CC0协议。