「深度学习」门控循环单元GRU

一、梯度消失问题

• 梯度消失：

  基础的 RNN 模型不善于处理长期依赖关系，有很多局部影响，很难调整自己前面的计算。y^{<i>} 仅仅受自己附近的值影响。

• 解决方法：GRU 或 LSTM

• 梯度爆炸：

  反向传播时，随着层数增多，梯度不仅可能指数型下降，还有可能指数型上升 —— 会导致参数过大，网络崩溃

  解决方法：梯度修剪 —— 观察梯度向量，若大于某个阈值，则放缩梯度向量，保证其不会过大

二、GRU

目的：使隐藏层更好地捕捉深层连接，改善梯度消失的问题

1. RNN 单元

2. 简化版 GRU 单元

c = memory \space cell

c^{<t>} = a^{<t>}​​

• c^{<t>} 的候选值：\widetilde{c}^{<t>} = tanh(w_{c}[c^{<t-1>},x^{<t>}]+b_{c})

• 核心思想 "门" - 决定什么时候更新：\Gamma_{u} = \sigma(w_{u}[c^{<t-1>},x^{<t>}]+b_{u})

  u：“update”

  \Gamma_{u}​ 介于0到1之间，大多数情况下非常接近0或1

  sigmoid 激活函数:

• 关键部分：c^{<t>} = \Gamma_{u}*\widetilde{c}^{<t>} + (1-\Gamma_{u})*\widetilde{c}^{<t-1>}​

  \Gamma_{u} = 1：将 c^{<t>}​​ 更新为候选值

  \Gamma_{u} = 0：保留原来的值

优点：若 \Gamma_{u} 接近0，c^{<t>}几乎等于c^{<t-1>}，即使经过了很多层，c^{<t>}的值依然会被保留，故可以缓和梯度下降带来的问题。

c^{<t>} 可以是向量，用不同的bit去记忆不同的单词。

3. 完整版 GRU

\widetilde{c}^{<t>} = tanh(w_{c}[\Gamma_{r}*c^{<t-1>},x^{<t>}]+b_{c})

\Gamma_{u} = \sigma(w_{u}[c^{<t-1>},x^{<t>}]+b_{u})

• \Gamma_{r} = \sigma(w_{r}[c^{},x^{}]+b_{u})

         r："relevance"

         表示计算出的 \widetilde{c}^{<t>} 与 c^{<t-1>} 有多大的相关性

c^{<t>} = \Gamma_{u}*\widetilde{c}^{<t>} + (1-\Gamma_{u})*\widetilde{c}^{<t-1>}​

a^{<t>} = c^{<t>}