递归神经网络RNN原理与模型详解

循环神经网络（RNN）堪称当前最强大的深度学习模型之一，它催生了诸多有趣的应用：文本分类、序列数据标注、文本序列生成（例如SwiftKey键盘根据上文预测下一个词），甚至能实现序列到序列的转换——比如将法语自动翻译成英语。大多数传统模型架构，如前馈神经网络，天生不适合处理序列数据。它们要求将所有特征压缩成一个固定长度的向量，比如把一句话、一个段落甚至整篇文档的所有token强行打包。前馈网络的设计逻辑是“一次性看完所有特征，然后直接映射到输出”。但这种方法真的可靠吗？来看两个英文句子：I had cleaned my car 和 I had my car cleaned。单词完全相同，意思却截然相反——只有当你考虑单词的先后顺序时，才能捕捉到这种细微差别。

人类理解文本时，习惯从左到右逐词阅读，逐步构建完整语义。RNN的思路与此相似：每次只处理一个词。本质上，RNN也是一种神经网络，但内部含有一层特殊结构，并非一次性处理全部数据，而是通过“循环”机制逐步运算。正因如此，RNN能按顺序处理数据，其输入和输出的长度均可灵活变化——想多长就多长。图6.3展示了RNN的几种典型结构形态。

图6.3

图6.3源自Andrej Karpathy关于RNN的知名博文，其中详细讲解了如何用Python从零实现一个RNN，并将其用作序列生成器。

6.4.1 通过示例了解RNN如何使用

假设我们已经训练好了一个RNN模型，先别急着深究内部原理，而是看看它到底能做什么。等摸清它的能力边界，再探讨内部工作机制也不迟。

以这句话为例：the action scenes were top notch in this movie...。将第一个词“the”输入模型，它会输出两个结果：状态向量（隐藏状态）和输出向量。状态向量会随下一个词“action”一起再次送入模型，模型又生成新的状态向量。以此类推，直到最后一个词处理完毕，我们只需关注模型最终输出的结果。图6.4概括了这一过程。

图6.4

图6.4演示了两个关键要点：

• RNN如何通过“展开”方式工作；
• 状态（隐藏向量）如何递归地传递给同一个模型。

到目前为止，我们只了解了RNN能做什么，但内部实现细节还不清楚。别急，先看一段代码，这会让理解更加具体。暂时把RNN当作黑盒：

hidden = None
for word in sentence:
    output, hidden = rnn(word, hidden)

这里的 hidden 就是状态向量，也常被称为隐藏状态。现在你应该知道如何使用RNN了。接下来我们看看实现RNN的代码，揭开内部的神秘面纱：

class RNN(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(RNN, self).__init__()
        self.hidden_size = hidden_size
        self.i2h = nn.Linear(input_size + hidden_size, hidden_size)
        self.i2o = nn.Linear(input_size + hidden_size, output_size)
        self.softmax = nn.LogSoftmax(dim=1)

    def forward(self, input, hidden):
        combined = torch.cat((input, hidden), 1)
        hidden = self.i2h(combined)
        output = self.i2o(combined)
        output = self.softmax(output)
        return output, hidden

    def initHidden(self):
        return torch.zeros(1, self.hidden_size)

除了类名是“RNN”之外，其他部分与前面章节用到的层没什么本质区别——因为PyTorch已经帮我们把反向传播的复杂细节封装好了。下面我们逐一解析 __init__ 和 forward 函数，看看内部到底发生了什么。

__init__ 初始化了两个线性层：一个用于计算输出，另一个用于计算隐藏状态（即状态向量）。

forward 函数将输入的向量与隐藏向量拼接起来，然后同时送入这两个线性层，分别得到输出和新的隐藏状态。对于输出层，还应用了 log_softmax 函数。

initHidden 函数负责生成初始隐藏向量——这样第一次调用RNN时，我们就能从一个干净的零状态开始。图6.5直观展示了RNN内部的计算流程。

图6.5

图6.5清晰地呈现了RNN的计算过程：输入和隐藏状态合并后，经过两个线性变换，分别得到输出和新的隐藏状态，而这个新的隐藏状态又会参与下一时间步的计算。

你是一名 AI 行业编辑，请围绕下面这条热点输出一份资讯解读：
热点：递归神经网络RNN原理与模型详解要求：
1. 先用一句话解释这条热点在讲什么
2. 再总结它为什么重要
3. 说明会影响哪些 AI 产品或内容方向
4. 最后给出 3 个适合资讯站使用的标题