生活中的所有事物都是與時(shí)間相關(guān)的，也就形成了一個(gè)序列。為了對(duì)序列數(shù)據(jù)（文本、演講、視頻等）我們可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并導(dǎo)入整個(gè)序列，但是這樣我們的數(shù)據(jù)輸入尺寸是固定的，局限性就很明顯。如果重要的時(shí)序特征事件恰好落在輸入窗以外，就會(huì)產(chǎn)生更大的問題。所以我們需要的是：

1. 能對(duì)任意長度序列做逐個(gè)元素讀取的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（比如視頻就是一系列的圖片；我們每次給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一張圖）；

2. 有記憶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠記得若干個(gè)時(shí)間步以前的事件、這些問題和需求已經(jīng)催生出多中不同的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖1：長短期記憶(LSTM)單元。LSTM有四個(gè)輸入權(quán)重和四個(gè)循環(huán)權(quán)重。Peepholes是記憶細(xì)胞和門之間的額外連接，但他們對(duì)性能提升幫助不到，所以常被忽略。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

若我們想讓一個(gè)常規(guī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決兩個(gè)數(shù)相加的問題，那我們只需要輸入兩個(gè)數(shù)字，再訓(xùn)練兩數(shù)之和的預(yù)測即可。如果現(xiàn)在有3個(gè)數(shù)要相加，那么我們可以：

1. 拓展網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，添加輸入和權(quán)重，再重新訓(xùn)練；

2. 把第一次的輸出（即兩數(shù)之和）和第三個(gè)數(shù)作為輸入，再返回給網(wǎng)絡(luò)。

方案(2)顯然更好，因?yàn)槲覀兿Ｍ苊庵匦掠?xùn)練整個(gè)網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)“知道”如何將兩個(gè)數(shù)相加）。如果我們的任務(wù)變成：先對(duì)兩數(shù)做加法，再減去兩個(gè)不同的數(shù)，那這個(gè)方案又不好使了。即使我們使用額外的權(quán)重，也不能保證正確的輸出。相反，我們可以嘗試“修改程序”，把網(wǎng)絡(luò)由“加法”變成“減法”。通過隱藏層的加權(quán)可以實(shí)現(xiàn)這一步（見圖2），如此便讓網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)核隨著每個(gè)新的輸入而變化。網(wǎng)絡(luò)將學(xué)習(xí)著在相加兩個(gè)數(shù)之后，把程序從“加法”變成“減法”，然后就解決了問題。

我們甚至可以泛化這一方法，傳遞給網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)數(shù)字，再傳入一個(gè)“特殊”的數(shù)字——代表著數(shù)學(xué)運(yùn)算“加法”，“減法”或“乘法”。實(shí)踐當(dāng)中這樣或許不盡完美，但也能得到大體正確的結(jié)果了。不過這里的主要問題倒不在于得到正確結(jié)果，而是我們可以訓(xùn)練循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使之能夠?qū)W習(xí)任意輸入序列所產(chǎn)生的特殊輸出，這就威力大了。

例如，我們可以教網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)詞語的序列。Soumith Chintala和Wojciech Zaremba寫了一篇優(yōu)秀的博客講述用RNN做自然語言處理。RNN也可以用于生成序列。Andrej Karpathy寫了這篇[有趣而生動(dòng)的博客]，展示了字詞級(jí)別的RNN，可以模仿各種文風(fēng)，從莎士比亞，到Linux源碼，再到給小孩兒起名。

長短期記憶(Long Short Term Memory, LSTM)

長短期記憶單元使用自連接的線性單元，權(quán)重為常數(shù)1.0。這使得流入自循環(huán)的值（前向傳播）或梯度（反向傳播）可以保持不變（乘以1.0的輸入或誤差還是原來的值；前一時(shí)間步的輸出或誤差也和下一時(shí)間步的輸出相同），因而所有的值和梯度都可以在需要的時(shí)候準(zhǔn)確回調(diào)。這個(gè)自循環(huán)的單元，記憶細(xì)胞，提供了一種可以儲(chǔ)存信息的記憶功能，對(duì)之前的若干個(gè)時(shí)間步當(dāng)中有效。這對(duì)很多任務(wù)都極其有效，比如文本數(shù)據(jù)，LSTM可以存儲(chǔ)前一段的信息，并對(duì)當(dāng)前段落的序列應(yīng)用這些信息。

另外，深度網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)很普遍的問題叫作“梯度消失”問題，也即，梯度隨著層數(shù)增多而越來越小。有了LSTM中的記憶細(xì)胞，就有了連續(xù)的梯度流（誤差保持原值），從而消除了梯度消失問題，能夠?qū)W習(xí)幾百個(gè)時(shí)間步那么長的序列。

然而有時(shí)我們會(huì)想要拋掉舊有信息，替換以更新、更相關(guān)的信息。同時(shí)我們又不想釋放無效信息干擾其余部分的網(wǎng)絡(luò)。為了解決這個(gè)問題，LSTM單元擁有一個(gè)遺忘門，在不對(duì)網(wǎng)絡(luò)釋放信息的情況下刪除自循環(huán)單元內(nèi)的信息（見圖1）。遺忘門將記憶細(xì)胞里的值乘以0~1之間的數(shù)字，其中0表示遺忘，1表示保持原樣。具體的數(shù)值宥當(dāng)前輸入和上一時(shí)間步的LSTM單元輸出決定。

在其他時(shí)間，記憶細(xì)胞還需要保持多個(gè)時(shí)間步內(nèi)不變，為此LSTM增加了另一道門，輸入門（或?qū)懭腴T）。當(dāng)輸入門關(guān)閉時(shí)，新信息就不會(huì)流入，原有信息得到保護(hù)。

另一個(gè)門將記憶細(xì)胞的輸出值乘以0（抹除輸出）~1（）之間的數(shù)，當(dāng)多個(gè)記憶相互競爭時(shí)這很有用：一個(gè)記憶細(xì)胞可能說：“我的記憶非常重要！所以我現(xiàn)在就要釋放”，但是網(wǎng)絡(luò)卻可能說：“你的記憶是很重要，不過現(xiàn)在又其他更重要的記憶細(xì)胞，所以我給你的輸出門賦予一個(gè)微小的數(shù)值，給其他門大數(shù)值，這樣他們會(huì)勝出”。

LSTM單元的連接方式初看可能有些復(fù)雜，你需要一些時(shí)間去理解。但是當(dāng)你分別考察各個(gè)部件的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)其實(shí)跟普通的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒啥兩樣——輸入和循環(huán)權(quán)重流向所有的門，連接到自循環(huán)記憶細(xì)胞。

想要更深入地了解LSTM并認(rèn)識(shí)整個(gè)架構(gòu)，我推薦閱讀：LSTM: A Search Space Odyssey和original LSTM paper。

詞嵌入(Word Embedding)

圖3：菜譜的二維詞嵌入空間，這里我們局部放大了“南歐”的聚類群

想象"cat"和其他所有與"cat"相關(guān)聯(lián)的詞匯，你可能會(huì)想到"kitten","feline"。再想一些不那么相似，但是又比"car"要相似得多的，比如"lion","tiger","dog","animal"或者動(dòng)詞"purring","mewing","sleeping"等等。

再想象一個(gè)三維的空間，我們把詞"cat"放在正中間。上面提到的詞語當(dāng)中，與"cat"相似的，空間位置也離得更近；比如"kitty","feline"就離中央很近；"tiger"和"lion"就稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)；"dog"再遠(yuǎn)一點(diǎn)；而"car"就不知遠(yuǎn)到哪里去了。可以看圖3這個(gè)詞嵌入二維空間的例子。

如果我們我們用向量來代表空間里的每一個(gè)詞，那么每個(gè)向量就由3個(gè)坐標(biāo)構(gòu)成，比如"cat"是(0, 0, 0)，"kitty"可能是(0,1, 0,2, -0,3)而"car"則是(10, 0, -15)。這個(gè)向量空間，就是詞嵌入空間，每個(gè)詞對(duì)應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)可以用做算法的輸入數(shù)據(jù)。

典型的詞嵌入空間含有上千個(gè)詞和上百個(gè)維度，人類是很難直觀理解的，但是相似的詞距離近這個(gè)規(guī)律仍然成立。對(duì)于機(jī)器來說，這是一種很好的詞匯表征，可以提高自然語言處理能力。

如果你想要學(xué)習(xí)更多詞嵌入的內(nèi)容，以及如何應(yīng)用于創(chuàng)建模型“理解”語言，推薦閱讀:Understanding Natural Language with Deep Neural Networks Using Torch，作者：Soumith Chintala和Wojciech Zaremba。

編碼-解碼

讓我們暫時(shí)停下自然語言處理，來想象一個(gè)西紅柿，想象那些適合西紅柿的配料或菜肴。如果你的想法和那些網(wǎng)上最常見的菜譜差不多，那你想到的可能是諸如奶酪和薩拉米;帕爾馬干酪、羅勒、通心粉；或其他配料比如橄欖油、百里香和西芹等等。（換作中國人來想，肯定是雞蛋）。這些配料主要都是意大利、地中海菜系。

還是那個(gè)西紅柿，如果要吃墨西哥菜系，你想到的可能是豆子、玉米、辣椒、芫荽葉或鱷梨。

你剛才所想的，就是把詞匯“西紅柿”的表征變換成了新的表征：“墨西哥菜里的西紅柿”。

“編碼”(Encoder)做的是同樣的事，它通過變換詞匯的表征，把輸入詞匯逐個(gè)變換為新的“思維向量”。就像給“西紅柿”加入了上下文“墨西哥菜”，這是“編碼-解碼”架構(gòu)的第一步。

編碼-解碼架構(gòu)的第二步是基于這樣一個(gè)事實(shí)：不同的語種在詞嵌入空間里，具有相似的幾何結(jié)構(gòu)，即便對(duì)同一個(gè)事物，描述用詞完全不同。比如在德語里“貓”是"Katze"，狗是"Hund"，與英語截然不同，但是兩個(gè)詞之間的關(guān)系確實(shí)一樣。Karze與Hund的關(guān)系，跟Car與Dog的關(guān)系完全一致，換言之，即使詞匯本身不同，他們背后的“思維向量”確實(shí)一樣的。當(dāng)然也有些詞匯很難用其他語言表達(dá)（比如中文里的“緣分”之類），但是這種情況比較稀罕，總體上是成立的。

基于以上思想，我們就可以構(gòu)建解碼網(wǎng)絡(luò)了。我們把英語編碼器產(chǎn)生的“思維向量”傳遞給德語解碼器。德語解碼器會(huì)把這些思維向量或關(guān)系變換映射到德語詞嵌入空間里，然后就會(huì)產(chǎn)生一句話，保持英語句子里的關(guān)系。如此我們就有了一個(gè)能做翻譯的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)思想目前仍在發(fā)展，結(jié)果雖然不完美，但卻在極快提高，不久就會(huì)成為翻譯的最佳方法。