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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)包括）

發(fā)布時間：2023-04-17 19:58:39 稿源：創(chuàng)意嶺閱讀： 127

大家好！今天讓創(chuàng)意嶺的小編來大家介紹下關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)的問題，以下是小編對此問題的歸納整理，讓我們一起來看看吧。

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本文目錄:

1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有哪些主要分類規(guī)則并如何分類？
2、幾種常見的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)RNN、LSTM、GRU
3、
4、

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)包括）

一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有哪些主要分類規(guī)則并如何分類？

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的分類

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型很多，可以按照不同的方法進行分類。其中，常見的兩種分類方法是，按照網(wǎng)絡(luò)連接的拓樸結(jié)構(gòu)分類和按照網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的信息流向分類。

按照網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)分類

網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)，即神經(jīng)元之間的連接方式。按此劃分，可將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩大類：層次型結(jié)構(gòu)和互聯(lián)型結(jié)構(gòu)。

層次型結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將神經(jīng)元按功能和順序的不同分為輸出層、中間層（隱層）、輸出層。輸出層各神經(jīng)元負責接收來自外界的輸入信息，并傳給中間各隱層神經(jīng)元；隱層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部信息處理層，負責信息變換。根據(jù)需要可設(shè)計為一層或多層；最后一個隱層將信息傳遞給輸出層神經(jīng)元經(jīng)進一步處理后向外界輸出信息處理結(jié)果。

而互連型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，任意兩個節(jié)點之間都可能存在連接路徑，因此可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接程度將互連型網(wǎng)絡(luò)細分為三種情況：全互連型、局部互連型和稀疏連接型

按照網(wǎng)絡(luò)信息流向分類

從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息傳遞方向來看，可以分為兩種類型：前饋型網(wǎng)絡(luò)和反饋型網(wǎng)絡(luò)。

單純前饋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同，前饋是因網(wǎng)絡(luò)信息處理的方向是從輸入層到各隱層再到輸出層逐層進行而得名的。前饋型網(wǎng)絡(luò)中前一層的輸出是下一層的輸入，信息的處理具有逐層傳遞進行的方向性，一般不存在反饋環(huán)路。因此這類網(wǎng)絡(luò)很容易串聯(lián)起來建立多層前饋網(wǎng)絡(luò)。

反饋型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與單層全互連結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相同。在反饋型網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都具有信息處理功能，而且每個節(jié)點既可以從外界接受輸入，同時又可以向外界輸出。

二、幾種常見的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)RNN、LSTM、GRU

傳統(tǒng)文本處理任務(wù)的方法中一般將TF-IDF向量作為特征輸入。顯而易見，這樣的表示實際上丟失了輸入的文本序列中每個單詞的順序。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模過程中，一般的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通常接受一個定長的向量作為輸入。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對文本數(shù)據(jù)建模時，輸入變長的字符串或者單詞串，然后通過滑動窗口加池化的方式將原先的輸入轉(zhuǎn)換成一個固定長度的向量表示，這樣做可以捕捉到原文本中的一些局部特征，但是兩個單詞之間的長距離依賴關(guān)系還是很難被學習到。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻能很好地處理文本數(shù)據(jù)變長并且有序的輸入序列。它模擬了人閱讀一篇文章的順序，從前到后閱讀文章中的每一個單詞，將前面閱讀到的有用信息編碼到狀態(tài)變量中去，從而擁有了一定的記憶能力，可以更好地理解之后的文本。

其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

由圖可見，t是時刻，x是輸入層，s是隱藏層，o是輸出層，矩陣W就是隱藏層上一次的值作為這一次的輸入的權(quán)重。

如果反復把式 2 帶入到式 1，將得到：

其中f和g為激活函數(shù)，U為輸入層到隱含層的權(quán)重矩陣，W為隱含層從上一時刻到下一時刻狀態(tài)轉(zhuǎn)移的權(quán)重矩陣。在文本分類任務(wù)中，f可以選取Tanh函數(shù)或者ReLU函數(shù)，g可以采用Softmax函數(shù)。

通過最小化損失誤差（即輸出的y與真實類別之間的距離），我們可以不斷訓練網(wǎng)絡(luò)，使得得到的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以準確地預測文本所屬的類別，達到分類目的。相比于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具備對序列順序信息的刻畫能力，往往能得到更準確的結(jié)果。

RNN的訓練算法為：BPTT

BPTT的基本原理和BP算法是一樣的，同樣是三步：

1.前向計算每個神經(jīng)元的輸出值；

2.反向計算每個神經(jīng)元的誤差項值，它是誤差函數(shù)E對神經(jīng)元j的加權(quán)輸入的偏導數(shù)；

3.計算每個權(quán)重的梯度。

最后再用隨機梯度下降算法更新權(quán)重。

具體參考： https://www.jianshu.com/p/39a99c88a565

最后由鏈式法則得到下面以雅可比矩陣來表達的每個權(quán)重的梯度:

由于預測的誤差是沿著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每一層反向傳播的，因此當雅克比矩陣的最大特征值大于1時，隨著離輸出越來越遠，每層的梯度大小會呈指數(shù)增長，導致梯度爆炸；反之，若雅克比矩陣的最大特征值小于1，梯度的大小會呈指數(shù)縮小，產(chǎn)生梯度消失。對于普通的前饋網(wǎng)絡(luò)來說，梯度消失意味著無法通過加深網(wǎng)絡(luò)層次來改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預測效果，因為無論如何加深網(wǎng)絡(luò)，只有靠近輸出的若干層才真正起到學習的作用。 這使得循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型很難學習到輸入序列中的長距離依賴關(guān)系 。

關(guān)于RNN梯度下降的詳細推導可以參考: https://zhuanlan.zhihu.com/p/44163528

梯度爆炸的問題可以通過梯度裁剪來緩解，即當梯度的范式大于某個給定值時，對梯度進行等比收縮。而梯度消失問題相對比較棘手，需要對模型本身進行改進。深度殘差網(wǎng)絡(luò)是對前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進，通過殘差學習的方式緩解了梯度消失的現(xiàn)象，從而使得我們能夠?qū)W習到更深層的網(wǎng)絡(luò)表示；而對于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，長短時記憶模型及其變種門控循環(huán)單元等模型通過加入門控機制，很大程度上彌補了梯度消失所帶來的損失。

LSTM的網(wǎng)絡(luò)機構(gòu)圖如下所示：

與傳統(tǒng)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，LSTM仍然是基于xt和ht−1來計算ht，只不過對內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進行了更加精心的設(shè)計，加入了輸入門it 、遺忘門ft以及輸出門ot三個門和一個內(nèi)部記憶單元ct。輸入門控制當前計算的新狀態(tài)以多大程度更新到記憶單元中；遺忘門控制前一步記憶單元中的信息有多大程度被遺忘掉；輸出門控制當前的輸出有多大程度上取決于當前的記憶單元。

在經(jīng)典的LSTM模型中，第t層的更新計算公式為

其中it是通過輸入xt和上一步的隱含層輸出ht−1進行線性變換，再經(jīng)過激活函數(shù)σ得到的。輸入門it的結(jié)果是向量，其中每個元素是0到1之間的實數(shù)，用于控制各維度流過閥門的信息量；Wi 、Ui兩個矩陣和向量bi為輸入門的參數(shù)，是在訓練過程中需要學習得到的。遺忘門ft和輸出門ot的計算方式與輸入門類似，它們有各自的參數(shù)W、U和b。與傳統(tǒng)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，從上一個記憶單元的狀態(tài)ct−1到當前的狀態(tài)ct的轉(zhuǎn)移不一定完全取決于激活函數(shù)計算得到的狀態(tài)，還由輸入門和遺忘門來共同控制。

在一個訓練好的網(wǎng)絡(luò)中，當輸入的序列中沒有重要信息時，LSTM的遺忘門的值接近于1，輸入門的值接近于0，此時過去的記憶會被保存，從而實現(xiàn)了長期記憶功能；當輸入的序列中出現(xiàn)了重要的信息時，LSTM應(yīng)當把其存入記憶中，此時其輸入門的值會接近于1；當輸入的序列中出現(xiàn)了重要信息，且該信息意味著之前的記憶不再重要時，輸入門的值接近1，而遺忘門的值接近于0，這樣舊的記憶被遺忘，新的重要信息被記憶。經(jīng)過這樣的設(shè)計，整個網(wǎng)絡(luò)更容易學習到序列之間的長期依賴。

GRU是在LSTM上進行簡化而得到的，GRU的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下所示：

Zt代表更新門，更新門的作用類似于LSTM中的遺忘門和輸入門，它能決定要丟棄哪些信息和要添加哪些新信息。

Rt代表重置門，重置門用于決定丟棄先前信息的程度。

要注意的是，h只是一個變量，因此在每個時刻，包括最后的線性組合，h都是在用以前的自己和當前的備選答案更新自己。舉例來說，這一個變量好比一杯酒，每次我們要把一部分酒倒出去，并把倒出去的酒和新加入的原料混合，然后在倒回來，這里的reset控制的就是要倒出去的，并且混合好之后再倒回來的酒的比例，而update控制的則是用多大的比例混合新原料和倒出來的之前調(diào)制好的酒。同理，也可以以此理解LSTM，LSTM的遺忘門功能上和reset相似，而輸入門與update相似，不同之處在于LSTM還控制了當前狀態(tài)的exposure，也就是輸出門的功能，這是GRU所沒有的。

1.百面機器學習

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/45649187

3. https://www.jianshu.com/p/39a99c88a565

三、

四、

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