深度学习-循环神经网络
深度学习中的卷积神经网络与循环神经网络
深度学习中的卷积神经网络与循环神经网络深度学习是目前人工智能领域最为炙手可热的技术之一，它在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域都取得了显著的成就。
而在深度学习领域中，卷积神经网络和循环神经网络是两个重要的模型，它们在不同的任务中展现出了卓越的性能。
本文将重点介绍卷积神经网络和循环神经网络的原理、结构和应用，旨在帮助读者更好地理解这两种神经网络模型。
一、卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)1.1原理卷积神经网络是受到生物视觉系统的启发而提出的一种深度学习模型，它模拟了人类视觉皮层的工作原理。
在卷积神经网络中，包含了卷积层、池化层和全连接层等组件。
卷积层是卷积神经网络的核心组件，它通过卷积操作从输入数据中提取特征。
卷积操作可以有效地减少参数数量，并且能够捕捉数据中的局部特征。
此外，卷积操作还具有平移不变性，能够识别特征在不同位置的模式。
池化层通常紧跟在卷积层后面，它的作用是降低特征图的尺寸，并减少模型对位置的敏感度。
常见的池化操作有最大池化和平均池化，它们分别选择特征图中的最大值和平均值作为输出。
全连接层是卷积神经网络中的最后一层，它将特征图展平成一维向量，并通过全连接操作将提取的特征进行分类或回归。
1.2结构卷积神经网络通常由多个卷积层、池化层和全连接层构成，其中卷积层和池化层交替出现，而全连接层通常出现在网络的最后一部分。
卷积神经网络的结构可以根据具体的任务进行调整，以达到更好的性能。
1.3应用卷积神经网络在图像识别、物体检测、人脸识别等领域取得了巨大的成功。
以ImageNet图像识别比赛为例，卷积神经网络模型始终是各种比赛的最佳选择，它在复杂的图像数据上展现了出色的识别性能。
此外，卷积神经网络还被广泛应用于医学影像识别、自动驾驶、智能安防等领域。
二、循环神经网络(Recurrent Neural Network，RNN)2.1原理循环神经网络是一种能够处理时序数据的神经网络模型，它具有记忆能力，能够对序列数据进行建模。
深度学习——循环神经网络GRU公式推导
深度学习——循环神经网络GRU公式推导循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）是一类具有自循环能力的神经网络，可以处理序列数据的模型。
其中，门控循环单元（Gated Recurrent Unit，GRU）是一种常用的循环神经网络架构，用于解决传统的RNN存在的梯度消失和梯度爆炸问题。
GRU网络由Cho等人于2024年提出，相较于长短时记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）具有更简化的结构。
GRU通过引入两个门控机制，分别为更新门和重置门，来解决RNN网络中梯度消失和梯度爆炸的问题。
下面将详细介绍GRU的公式推导。
GRU的计算包含三个关键步骤：更新门、重置门和隐藏状态更新。
首先，我们定义输入序列为$x$，隐藏状态为$h$，更新门为$z$，重置门为$r$。
GRU的参数包含三部分：输入门参数矩阵$W_z$，隐藏状态参数矩阵$W_h$和偏置向量$b$。
1. 更新门（Update Gate）$z$的计算：$z_t=\sigma(W_z \cdot [h_{t-1}, x_t] + b_z)$其中，$W_z$为权重矩阵，$h_{t-1}$为上一时刻的隐藏状态，$x_t$为当前时刻的输入序列，$b_z$为更新门的偏置向量，$\sigma$表示sigmoid函数。
2. 重置门（Reset Gate）$r$的计算：$r_t=\sigma(W_r \cdot [h_{t-1}, x_t] + b_r)$其中，$W_r$为权重矩阵，$h_{t-1}$为上一时刻的隐藏状态，$x_t$为当前时刻的输入序列，$b_r$为重置门的偏置向量，$\sigma$表示sigmoid函数。
3. 隐藏状态更新（Hidden State Update）：$\tilde{h}_t = \tanh(W_h \cdot [r_t \odot h_{t-1}, x_t] + b_h)$其中，$W_h$为权重矩阵，$r_t$为当前时刻的重置门，$h_{t-1}$为上一时刻的隐藏状态，$x_t$为当前时刻的输入序列，$b_h$为隐藏状态更新的偏置向量，$\odot$表示逐元素乘积。
深度学习RNN循环神经网络ppt课件
RNN—LSTM
ft (Wfx xt Wfhht1 bf ) (a) C 't tanh(WCx xt WChht1 bC ) (b) it (Wix xt Wihht1 bi ) (c) Ct ft *Ct1 it *C 't (d ) ot (Wox xt Wohht1 bo ) (e) ht ot * tanh(Ct ) ( f )
右图中的网络是seq2vec模型，可以 用于情感识别，文本分类等，主要 针对输入为序列信号，输出为向量 的模型建模
右图中的网络包含三个权值，分别 是U，W和V，最后损失函数采用的 是标签和输出的softmax交叉熵，其 实和最大似然函数最终推倒结果是 一致的。
RNN—vec2seq
右图是一个vec2seq模型，它的输入是 一个固定长度的向量，而输出是一个 序列化的信号，比如文本数据。这个 模型的输入x可以当作是循环神经网络 的额外输入，添加到每个隐藏神经元 中，同时每个时间步的输出y也会输入 到隐藏神经元。 在训练期间，下一个时间步的标签和 上一个时间步的输出构成交叉熵损失 函数，最终依旧采用BPTT算法进行训 练。 这样的模型可以用作image captioning 也就是看图说话。
每一个时间步计算都是用相同的激活函数和输入连接权以及循环连接权
RNN—Synced seq2seq
a(t) b Wh(t1) Ux(t) h(t) tanh(a(t) ) 2015-ReLU o(t) c Vh(t) y(t) soft max(o(t) )
L({x(1) ,..., x( )},{y(1) ,..., y( )}) 上图是隐藏神经元之间有循环连接，并且每一个
理解循环神经网络(RNN)和其在自然语言处理中的应用
理解循环神经网络（RNN）和其在自然语言处理中的应用循环神经网络（Recurrent Neural Network，简称RNN）是一种深度学习模型，具有一种独特的结构，使其在自然语言处理（Natural Language Processing，简称NLP）领域中得到广泛应用。
本文将深入探讨RNN的基本原理，以及它在NLP中的应用，帮助读者更好地理解这一关键技术。
**RNN的基本原理**RNN是一种递归神经网络，其核心思想是在神经网络中引入循环结构，使得信息可以在不同时间步之间传递。
这种循环结构使RNN非常适合处理序列数据，如文本、时间序列和音频数据。
RNN的核心结构包括一个隐藏状态（hidden state）和一个输入（input）。
在RNN中，每个时间步都有一个输入和一个隐藏状态。
输入通常是序列中的当前元素，例如在文本处理中可以是一个单词或一个字符。
隐藏状态包含了网络在之前时间步的信息，并在当前时间步进行更新。
这种循环结构使得RNN能够捕捉序列数据中的长期依赖关系，这对于自然语言处理非常重要，因为语言中的词汇和语法结构通常依赖于前文的内容。
RNN的数学表达如下：\[h_t = f(h_{t-1}, x_t)\]其中，\(h_t\)是当前时间步的隐藏状态，\(h_{t-1}\)是前一个时间步的隐藏状态，\(x_t\)是当前时间步的输入，\(f\)是RNN的激活函数，通常是tanh或ReLU。
通过不断更新隐藏状态，RNN可以逐步理解输入序列并捕捉关键信息。
然而，传统的RNN模型存在梯度消失和梯度爆炸等问题，限制了其在长序列上的性能。
为了解决这些问题，出现了一些改进型的RNN结构，如长短时记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）和门控循环单元（Gated Recurrent Unit，GRU），它们能够更好地处理长序列数据。
**RNN在自然语言处理中的应用**RNN在NLP领域有着广泛的应用，以下是一些常见的例子：1. **文本生成**：RNN可以用于生成文本，如文章、故事、甚至代码。
深度学习的卷积神经网络与循环神经网络
深度学习的卷积神经网络与循环神经网络深度学习的卷积神经网络与循环神经网络在近年来备受关注，成为人工智能领域的热门研究课题。
卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）和循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）是两种在深度学习中应用广泛的神经网络模型，各自具有独特的特点和应用领域。
本文将就卷积神经网络与循环神经网络的基本原理、发展历程、优缺点以及应用领域等方面进行探讨，以期为读者提供更深入的了解和认识。
卷积神经网络是一种专门用于处理具有类似网格结构数据的神经网络模型，主要应用于图像和视频等领域。
其核心思想是利用卷积操作和池化操作对输入数据进行特征提取，然后通过全连接层和激活函数实现分类任务。
卷积操作可以有效地减少网络参数量，降低计算复杂度，提高模型的泛化能力。
而池化操作则可以进一步减小特征图的尺寸，减少计算量，增强模型的平移不变性。
卷积神经网络的特点是能够从原始数据中提取高级抽象特征，在图像识别、物体检测、语音识别等方面取得了巨大成功。
循环神经网络是一种专门用于处理序列数据的神经网络模型，主要应用于自然语言处理、时间序列预测等任务。
其核心思想是在网络中引入循环结构，使得网络可以记忆之前的信息并进行时间序列的建模。
循环神经网络的一个重要变种是长短时记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM），它通过门控单元对输入、输出和记忆进行控制，解决了传统循环神经网络面临的长期依赖问题。
循环神经网络的特点是可以处理不定长序列数据，能够自动提取序列数据中的时序信息，在机器翻译、情感分析、语音识别等方面表现优秀。
虽然卷积神经网络和循环神经网络在不同的应用领域表现出色，但它们也各自存在一些缺点。
卷积神经网络在处理变长序列数据时存在局限性，无法很好地捕捉时序信息；而循环神经网络在处理长距离依赖性问题上存在梯度消失和梯度爆炸等困难。
五大神经网络模型解析
五大神经网络模型解析近年来，人工智能的快速发展使得深度学习成为了热门话题。
而深度学习的核心就在于神经网络，它是一种能够模拟人脑神经系统的计算模型。
今天，我们就来一起解析五大神经网络模型。
1.前馈神经网络（Feedforward Neural Network）前馈神经网络是最基本的神经网络模型之一。
在前馈神经网络中，信息是单向传输的，即神经元的输出只会被后续神经元接收，不会造成回流。
前馈神经网络能够拟合线性和非线性函数，因此在分类、预测等问题的解决中被广泛应用。
前馈神经网络的一大优势在于简单易用，但同时也存在一些缺点。
例如，神经网络的训练难度大、泛化能力差等问题，需要不断探索解决之道。
2.循环神经网络（Recurrent Neural Network）与前馈神经网络不同，循环神经网络的信息是可以进行回流的。
这意味着神经元的输出不仅会传向后续神经元，还会传回到之前的神经元中。
循环神经网络在时间序列数据的处理中更为常见，如自然语言处理、语音识别等。
循环神经网络的优点在于增强了神经网络处理序列数据的能力，但是它也存在着梯度消失、梯度爆炸等问题。
为了解决这些问题，一些变种的循环神经网络模型应运而生，如长短期记忆网络（LSTM）、门控循环单元（GRU）等。
3.卷积神经网络（Convolutional Neural Network）卷积神经网络是一种类似于图像处理中的卷积操作的神经网络模型。
卷积神经网络通过卷积神经层和池化层的堆叠来对输入数据进行分层提取特征，从而进一步提高分类性能。
卷积神经网络在图像、视频、语音等领域的应用非常广泛。
卷积神经网络的优点在于对于图像等数据具有先天的特征提取能力，可以自动识别边缘、角点等特征。
但是，卷积神经网络也存在着过拟合、泛化能力欠佳等问题。
4.生成对抗网络（Generative Adversarial Network）生成对抗网络可以说是最近几年最热门的神经网络模型之一。
它基于博弈论中的对抗训练模型，由两个神经网络构成：生成器和判别器。
深度学习中的卷积神经网络与循环神经网络
深度学习中的卷积神经网络与循环神经网络深度学习已经成为了人工智能技术领域的热点，它涉及到很多的算法和模型，其中卷积神经网络和循环神经网络是两种广泛应用的模型，它们分别对应于不同的应用场景。
一、卷积神经网络卷积神经网络，英文名Convolutional Neural Network，简称CNN，是一种非常适合图像处理领域的算法模型。
CNN主要是用来解决图像分类、目标检测等问题，它采用了一种称为卷积的运算来处理图像数据。
卷积操作是将一组滤波器应用于图像的不同部分，生成一组新的图像特征，这样可以减少图像的冗余、提取出更加本质的图像信息。
CNN的基本结构由卷积层、池化层和全连接层组成，其中卷积层是CNN的核心组成部分。
在卷积层中，由于图像是二维的，滤波器大小也是二维的，即宽和高都有一个大小，也称为卷积核。
卷积核可以应用于图像的不同部分，并生成一组新的特征图。
池化层的作用是对特征图进行下采样操作，减小特征图的大小，同时保留最显著的特征。
全连接层则将池化层得到的特征图进行分类或检测。
CNN与传统的神经网络相比，最大的优点就是能够处理局部图像信息，提取出图像中的特征。
而其在处理图像数据方面的卓越表现，也使其被广泛应用于自然语言处理和语音处理等领域。
二、循环神经网络与CNN不同，循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）主要用于解决序列数据方面的问题，例如语音识别、文本生成、机器翻译等。
与CNNS的卷积核对图像进行局部处理不同，RNN是对序列数据进行处理，通过对前几个时刻的输入进行处理，得出当前时刻的输出结果，同时还可以利用当前时刻的结果影响后续的输出结果。
RNN由一系列的时间步组成，每个时间步都会产生一个输出和一个隐藏状态。
其中隐藏状态会被传递到下一个时间步，从而实现信息的传递。
RNN中最常用的模型是长短时记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM），它可以在长时间序列上保存和传递信息，解决了传统RNN存在的“梯度消失”和“梯度爆炸”问题。
深度学习中的循环神经网络(RNN)介绍及应用
深度学习中的循环神经网络（RNN）介绍及应用深度学习作为人工智能领域的重要分支，已经在各个领域取得了巨大的成就。
其中，循环神经网络（Recurrent Neural Network，简称RNN）作为一种能够处理序列数据的神经网络模型，在自然语言处理、语音识别、图像处理等领域表现出卓越的性能，受到了广泛的关注和应用。
一、循环神经网络的介绍循环神经网络是一种具有记忆功能的神经网络模型，可以处理具有时间顺序的序列数据。
相比于传统的前馈神经网络，循环神经网络通过引入循环连接，将前一时刻的状态信息传递到当前时刻，以此来处理序列数据中的时序信息。
这种设计使得循环神经网络能够对变长的输入序列进行建模，并在序列中捕捉到隐含的长期依赖关系。
循环神经网络的基本结构包括输入层、隐藏层和输出层。
隐藏层的每个神经元都拥有一个循环连接，可以接收来自上一时刻隐藏层的输出，并结合当前时刻的输入进行计算。
通过不断的迭代，循环神经网络能够逐步更新隐藏层的状态，并且在计算输出时同时考虑输入和历史信息。
这种机制使得循环神经网络能够应对序列数据中的时序变化，更好地理解和利用数据中的上下文信息。
二、循环神经网络的应用循环神经网络在多个领域展现出了强大的建模能力和广泛的应用潜力。
1. 自然语言处理在自然语言处理领域，循环神经网络被广泛应用于语言模型、机器翻译、文本分类等任务。
通过在输入端引入序列数据，如词语序列或字符序列，循环神经网络可以对语言中的上下文关系建模，实现对文本的语义理解、生成和分类。
尤其是长短时记忆网络（Long Short-Term Memory，简称LSTM）和门控循环单元（Gated Recurrent Unit，简称GRU）等改进的循环神经网络结构，有效地缓解了传统循环神经网络中的梯度消失和梯度爆炸问题，提升了对长文本的建模能力。
2. 语音识别循环神经网络在语音识别领域的应用也取得了显著的成果。
通过将语音信号转化为时序序列输入循环神经网络，可以实现对语音数据的建模和识别。
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Jordan Network M. Jordan
BPTT P. Werbos
BRNN
Neural turing machine A. Graves 当前（2010 - ）应用广泛： 自然语言应用 视频建模，手写识别，用 户意图预测 开源工具包： Theano Torch PyBrain TensorFlow ,,,
oN
wML
o f (net) k net c
• Nonlinearity 非线性
• Parallel Processing 并行处理 • Input—Output Mapping 输入输出匹配 • Adaptivity 自适应性
Input Layer
T hl
Hidden Layer
Output Layer
典型应用：图像标注
28
Recurrent Neural Network
典型应用：语言生成
29
‹#›/50
循环神经网络模型
激活函数
RNN常用的激活函数是tanh和sigmoid。
31
循环神经网络模型
softmax
Softmax函数是sigmoid函数的一个变种，通常我们将其用在多分类任务的输出层， 将输入转化成标签的概率。
21
3：循环神经网络（RNN）
22
递归神经网络模型
递归神经网络
递归神经网络（RNN），是两种人工神经 网络的总称： 一种是时间递归神经网络（recurrent neural network）； 一种是结构递归神经网络（recursive neural network）； 吸收了HMM模型的有限序列关联的思想。 神经网络的隐藏层结构能够更好的表达有限的观察值背后的复杂分布。 23
本质就是将一个K维的任意实数向量压缩（映射）成另一个K维的实数向量，其中向量 中的每个元素取值都介于（0，1）之间。
32
循环神经网络模型
简单循环网络SRN
神经元之间的连接权重在时域上不变。
33
循环神经网络模型
随时间反向传播算法BPTT
BP回顾：定义损失函数 E 来表示输出 和真实标签y的误差，通过链式法则自顶向 下求得 E 对网络权重的偏导。沿梯度的反方向更新权重的值，直到 E 收敛。 BPTT的本质其实和BP很像，就是加上了时序演化。定义权重U，V，W。
Deep belief net Science Speech
Learning model Perceptron of neurons
Computer vision NLP Speech ……
1949
1958
1986
• • • • • SVM Boosting Decision tree KNN …
2006
1 0 XOR 0
1
For XOR problem: 1. introducing one additional neuron in a special way; 2. using differentiable activation function;
◙ 一个单级网络可以将平面划分成两部分，用多个单级网组合在一起， 就可以构成一个两级网，该网络可以被用来在平面上划分出一个封闭 或者开放的凸域来； ◙ 采用特殊的激励函数。
w1 w2 wn
θ
y
u w1x1 wN xN
a if u y 0 if u
y a x o
xn
7
神经网络一般形式
w11 x1 wm1 h1
x1
x2
v11 vl1 vL1
wM1
o1
• • •
w1 w2 wn
c
o
xn
xM
wmL
w1L hL
vLN
net x1 w1 xN wN
细胞体 细胞体Cell body
轴突
轴突Axon 来自其它神经元
6
神经元模型
x1
xn
w1
Σ
wn
net = WTX
激励函数
o=f(net)
net W T X wi xi o f ( net)
x1 x2
• • •
典型的激励函数(Activation Function)： 线性函数，非线性斜面函数，阶跃函数， S型函数等。
两类样本：白色和黑色 分类错误的样本用红色轮廓 目标：分类正确所有样本， 直到没有红色轮廓的样本。
W=[1.66 1.11] b=[1.25]
W=[1.54 1.28] b=[-0.64]
where?
W=[1.16 1.63] b=[-1.8]
W=[1.66 1.11] b=[-0.823]
W=[1.49 -1.39] b=[-0.743]
36
循环神经网络模型
随时间反向传播算法BPTT
（3）求 E 对于U 的梯度。情况与W 类似。
先求 E3 对于U 的梯度: 求和可得。
V
W
当我们求 到： 对于W 的偏导时。注意
U
同样： 依赖于 ，而 又依赖于 和U 。 类似求W，当我们计算对于U 的偏导数时，也不 能把 看作是常数项！
37
循环神经网络模型
14
2：从神经网络到深度学习
15
神经网络
深度学习网络
相似之处：
模拟人脑的分层网络结构；
不同之处：
强调深度的重要性； 突出特征学习的重要性；（逐层抽象） 训练机制； 16
深度学习思想起源：人脑视觉机理
后脑皮层的不同视觉神经元，与瞳孔所受刺激之间，存在某种对应关系。
17
深度学习起源：人脑视觉机理
递归神经网络模型
时序扩展
24
Recurrent Neural Network
RNN是一类扩展的人工神经网络，它是为了对序列数据进行建模而产生的。
针对对象：序列数据。例如文本，是字母和词汇的序列；语音，是音节的序列； 视频，是图像的序列；气象观测数据，股票交易数据等等，也都是序列数据。 核心思想：样本间存在顺序关系，每个样本和它之前的样本存在关联。通过神 经网络在时序上的展开，我们能够找到样本之间的序列相关性。
解决方案： 选择其他的激活函数。例如ReLU。 引入改进网络结构的机制，例如LSTM，GRU。 现在在自然语言处理上应用十分广的的就是LSTM。
39
Schuster & Paliwal 中期（90-2010） 除LSTM以外，RNN基本 从主流研究中消失了。
早期（80、90年代） 主要思想：重新使用参数 和计算
26
Recurrent Neural Network
RNN基本框架
e.g. Sentiment Classification sequence of words -> sentiment
神经网络
神经元
5
神经元模型
神经元是构成神经网络的最基本单元(构件), 因此, 首要任务是构造人工神经元模型。 w1
x1 xn
Σ
wn
线性动态 系统
激励函数
o
Synaptic synapse dendrite terminals
Cell bodyndrite 突触synapse
异或问题： x1 x2 d 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0
Problems: it can not separate patterns when there is
an overlapping of data or when classes are not linearly Separable 不能处理线性不可分问题
随时间反向传播算法BPTT
参数意义: Whv:输入层到隐含层的权重参数， Whh:隐含层到隐含层的权重参数， Woh：隐含层到输出层的权重参数， bh:隐含层的偏移量,bo输出层的偏移量， h0:起始状态的隐含层的输出，一般初始为0。
38
递归神经网络模型
随时间反向传播算法BPTT
面临的问题：
梯度消失问题 梯度爆炸问题
深度学习之循环神经网络
陈鹏
1
目录
1：深度学习发展史
2：从神经网络到深度学习
3：循环神经网络基础
4：自然语言处理基础（扩充知识）
2
1：深度学习发展史
3
深度学习发展史
Hebb Rosenblatt
Geoffrey Hinton
Neural network Back propagation
Geoffrey Hinton
• • •
w1 w2 wM
b
y
xM
y f (u) signwi xi b
1 if u 0 y 1 if u 0 1 if u 0 f (u) w1 x1 w2 x2 b 1 if u 0
u>0 u<0
10
Single Layer Perceptrons： 迭代过程
e.g. Video classification on frame level
e.g. Image Captioning image -> sequence of words
e.g. Machine Translation seq of words -> seq of words
27
Recurrent Neural Network
2011 2012
• • • • • DBN CNN RBM RNN …
2014
First Winter of NN
机器学习第一次浪潮： 浅层学习模型 (Shallow Learning) Second Winter of NN