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【第四章:大模型（LLM)】01.神经网络中的 NLP-(1)RNN、LSTM 和 GRU 的基本原理和应用

news 2025/7/26 10:00:39

第四章：大模型（LLM）

第二部分：神经网络中的 NLP

第一节：RNN、LSTM 和 GRU 的基本原理和应用

一、引言：为何使用循环神经网络？

在处理自然语言或序列数据（如时间序列、语音）时，上下文信息至关重要。传统的前馈神经网络（如 MLP、CNN）无法自然捕捉序列中的时间依赖关系。因此，循环神经网络（RNN）被提出，以支持信息在序列中传递，从而实现“记忆”功能。

二、RNN：循环神经网络基础

1. 基本结构

RNN 的核心思想是：当前的输出不仅依赖当前输入，还依赖之前的隐藏状态（即“记忆”）。

数学表达为：

hₜ = tanh(Wₓxₜ + Wₕhₜ₋₁ + b)

其中：

xₜ：当前时刻输入；
hₜ：当前隐藏状态；
hₜ₋₁：上一个时间步的隐藏状态；
Wₓ，Wₕ：权重矩阵。

2. 问题：梯度消失与爆炸

由于时间展开导致的深层链式反向传播，RNN 在长序列上容易出现：

梯度消失：信息无法从后往前传播；
梯度爆炸：参数不稳定，训练失败。

三、LSTM：长短期记忆网络

为了解决 RNN 的记忆瓶颈问题，Hochreiter & Schmidhuber 在 1997 年提出 LSTM（Long Short-Term Memory）。

1. 核心思想

LSTM 通过门机制（Gates）来控制信息流：

遗忘门（forget gate）：决定保留多少旧记忆；
输入门（input gate）：决定接受多少新信息；
输出门（output gate）：决定输出多少记忆给下一个时间步。

公式简化如下：

fₜ = σ(W_f · [hₜ₋₁, xₜ])     ← 遗忘门  
iₜ = σ(W_i · [hₜ₋₁, xₜ])     ← 输入门  
oₜ = σ(W_o · [hₜ₋₁, xₜ])     ← 输出门  
ĉₜ = tanh(W_c · [hₜ₋₁, xₜ])  ← 候选记忆cₜ = fₜ * cₜ₋₁ + iₜ * ĉₜ    ← 更新记忆单元
hₜ = oₜ * tanh(cₜ)          ← 输出隐藏状态

2. 优点

保留长距离依赖；
学习重要性动态权重；
应用于机器翻译、语言建模、情感分析等任务中。

四、GRU：门控循环单元

GRU（Gated Recurrent Unit） 是 LSTM 的简化版本，由 Cho 等人在 2014 年提出。

1. 结构简洁

GRU 将 LSTM 的三个门压缩为两个：

更新门（update gate） zₜ；
重置门（reset gate） rₜ。

核心计算：

zₜ = σ(W_z · [hₜ₋₁, xₜ])  
rₜ = σ(W_r · [hₜ₋₁, xₜ])  
h̃ₜ = tanh(W_h · [rₜ * hₜ₋₁, xₜ])  
hₜ = (1 - zₜ) * hₜ₋₁ + zₜ * h̃ₜ

2. 相较于 LSTM 的优势：

结构更简单，参数更少；
训练更快，性能相当；
在某些任务（如语音建模）表现优异。

五、应用场景

应用领域	描述
语言建模	根据前文预测下一个单词（如 GPT 的基本训练任务）
文本分类	通过 RNN/LSTM/GRU 提取序列特征用于情感、意图分类
序列标注	用于命名实体识别（NER）、分词、POS 等序列到序列任务
机器翻译	Seq2Seq 架构最初是 LSTM 编码器+解码器组合
语音识别	RNN 能捕捉声音序列中时间依赖特征
时间序列预测	金融市场分析、用户行为预测等