Figure 2. An illustration of an unrolled RNN across “time”.
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As shown in Figure 2, we unroll an RNN: at $t$-th time step, the network takes the $t$-th input vector and the latent state from last time-step $h_{t-1}$ as inputs and compute the latent state of current step. The whole process is repeated until all inputs are consumed. If we regard the RNN as a function $f$, it can be formulated as:
循环神经网络是一种能对序列数据进行精确建模的有力工具。实际上，循环神经网络的理论计算能力是图灵完备的\[[4](#参考文献)\]。自然语言是一种典型的序列数据（词序列），近年来，循环神经网络及其变体（如long short term memory\[[5](#参考文献)\]等）在自然语言处理的多个领域，如语言模型、句法解析、语义角色标注（或一般的序列标注）、语义表示、图文生成、对话、机器翻译等任务上均表现优异甚至成为目前效果最好的方法。
在处理自然语言时，一般会先将词（one-hot表示）映射为其词向量（word embedding）表示，然后再作为循环神经网络每一时刻的输入$x_t$。此外，可以根据实际需要的不同在循环神经网络的隐层上连接其它层。如，可以把一个循环神经网络的隐层输出连接至下一个循环神经网络的输入构建深层（deep or stacked）循环神经网络，或者提取最后一个时刻的隐层状态作为句子表示进而使用分类模型等等。
### 长短期记忆网络（LSTM）
对于较长的序列数据，循环神经网络的训练过程中容易出现梯度消失或爆炸现象\[[6](#参考文献)\]。为了解决这一问题，Hochreiter S, Schmidhuber J. (1997)提出了LSTM(long short term memory\[[5](#参考文献)\])。
LSTM通过给简单的循环神经网络增加记忆及控制门的方式，增强了其处理远距离依赖问题的能力。类似原理的改进还有Gated Recurrent Unit (GRU)\[[8](#参考文献)\]，其设计更为简洁一些。**这些改进虽然各有不同，但是它们的宏观描述却与简单的循环神经网络一样（如图2所示），即隐状态依据当前输入及前一时刻的隐状态来改变，不断地循环这一过程直至输入处理完毕：**
1. Kim Y. [Convolutional neural networks for sentence classification](http://arxiv.org/pdf/1408.5882)[J]. arXiv preprint arXiv:1408.5882, 2014.
2. Kalchbrenner N, Grefenstette E, Blunsom P. [A convolutional neural network for modelling sentences](http://arxiv.org/pdf/1404.2188.pdf?utm_medium=App.net&utm_source=PourOver)[J]. arXiv preprint arXiv:1404.2188, 2014.
3. Yann N. Dauphin, et al. [Language Modeling with Gated Convolutional Networks](https://arxiv.org/pdf/1612.08083v1.pdf)[J] arXiv preprint arXiv:1612.08083, 2016.
Figure 2. An illustration of an unrolled RNN across “time”.
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As shown in Figure 2, we unroll an RNN: at $t$-th time step, the network takes the $t$-th input vector and the latent state from last time-step $h_{t-1}$ as inputs and compute the latent state of current step. The whole process is repeated until all inputs are consumed. If we regard the RNN as a function $f$, it can be formulated as:
循环神经网络是一种能对序列数据进行精确建模的有力工具。实际上，循环神经网络的理论计算能力是图灵完备的\[[4](#参考文献)\]。自然语言是一种典型的序列数据（词序列），近年来，循环神经网络及其变体（如long short term memory\[[5](#参考文献)\]等）在自然语言处理的多个领域，如语言模型、句法解析、语义角色标注（或一般的序列标注）、语义表示、图文生成、对话、机器翻译等任务上均表现优异甚至成为目前效果最好的方法。
在处理自然语言时，一般会先将词（one-hot表示）映射为其词向量（word embedding）表示，然后再作为循环神经网络每一时刻的输入$x_t$。此外，可以根据实际需要的不同在循环神经网络的隐层上连接其它层。如，可以把一个循环神经网络的隐层输出连接至下一个循环神经网络的输入构建深层（deep or stacked）循环神经网络，或者提取最后一个时刻的隐层状态作为句子表示进而使用分类模型等等。
### 长短期记忆网络（LSTM）
对于较长的序列数据，循环神经网络的训练过程中容易出现梯度消失或爆炸现象\[[6](#参考文献)\]。为了解决这一问题，Hochreiter S, Schmidhuber J. (1997)提出了LSTM(long short term memory\[[5](#参考文献)\])。
LSTM通过给简单的循环神经网络增加记忆及控制门的方式，增强了其处理远距离依赖问题的能力。类似原理的改进还有Gated Recurrent Unit (GRU)\[[8](#参考文献)\]，其设计更为简洁一些。**这些改进虽然各有不同，但是它们的宏观描述却与简单的循环神经网络一样（如图2所示），即隐状态依据当前输入及前一时刻的隐状态来改变，不断地循环这一过程直至输入处理完毕：**
1. Kim Y. [Convolutional neural networks for sentence classification](http://arxiv.org/pdf/1408.5882)[J]. arXiv preprint arXiv:1408.5882, 2014.
2. Kalchbrenner N, Grefenstette E, Blunsom P. [A convolutional neural network for modelling sentences](http://arxiv.org/pdf/1404.2188.pdf?utm_medium=App.net&utm_source=PourOver)[J]. arXiv preprint arXiv:1404.2188, 2014.
3. Yann N. Dauphin, et al. [Language Modeling with Gated Convolutional Networks](https://arxiv.org/pdf/1612.08083v1.pdf)[J] arXiv preprint arXiv:1612.08083, 2016.
