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各类神经网络学习：（七）GRU 门控循环单元（上集），详细结构说明

news 来源：原创 2025/7/1 16:12:17
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LSTM（下集）GRU（下集）

GRU（门控循环单元）

它其实是 R N N RNN RNN 和 L S T M LSTM LSTM 的折中版，有关 R N N RNN RNN 和 L S T M LSTM LSTM 请参考往期博客。

实际应用要比 L S T M LSTM LSTM 少，往往作为一个小部件使用。

一、相关知识早知道

  1. 和 L S T M LSTM LSTM 的区别？

    • 这两种模型其实不相上下，重点还是在于调整层数以及超参数。
    • G R U GRU GRU 的参数较少，因此其训练速度更快；也因此相比于 L S T M LSTM LSTM ， G R U GRU GRU 能降低过拟合风险。
    • 如果有足够的训练数据，表达能力更强的 L S T M LSTM LSTM 或许效果更佳。

  2. 为什么能缓解梯度消失和梯度爆炸？

    和 L S T M LSTM LSTM 一样，请参考往期博客。

二、结构图

1）单个时刻结构图

在这里插入图片描述

其内部包含三个网络层（其中两个门单元）：更新门、重置门、隐层状态输出层。

两个极端情况，一是直接舍弃过去的隐层状态信息，只接受当下的输入信息；另一种是完全接受过去的隐层状态信息，并舍弃当下的输入信息。

①重置门 r t \Large r_t rt​

公式： r t = σ ( W x r ⋅ x t + W h r ⋅ h t − 1 + b r ) = σ ( W r ⋅ [ x t , h t − 1 ] + b r ) \Large r_t=\sigma(W_{xr}·x_t+W_{hr}·h_{t-1}+b_r)=\sigma(W_{r}·[x_t,h_{t-1}]+b_r) rt​=σ(Wxr​⋅xt​+Whr​⋅ht−1​+br​)=σ(Wr​⋅[xt​,ht−1​]+br​) 。

σ \large \sigma σ 函数使 r t \large r_t rt​ 的元素处于 0 ∼ 1 0\sim1 0∼1 ，使其对 h t − 1 \large h_{t-1} ht−1​ 具有舍弃功能， 1 1 1 表示 “完全接受”， 0 0 0 表示 “完全忽略” （对当前时刻没有用的历史信息就给它舍弃掉）。

②更新门 z t \Large z_t zt​

公式： z t = σ ( W x z ⋅ x t + W h z ⋅ h t − 1 + b z ) = σ ( W z ⋅ [ x t , h t − 1 ] + b z ) \Large z_t=\sigma(W_{xz}·x_t+W_{hz}·h_{t-1}+b_z)=\sigma(W_{z}·[x_t,h_{t-1}]+b_z) zt​=σ(Wxz​⋅xt​+Whz​⋅ht−1​+bz​)=σ(Wz​⋅[xt​,ht−1​]+bz​) 。

③隐层状态输出 h t \Large h_t ht​

公式：
h ~ t = t a n h ( W x h ⋅ x t + W h h ⋅ ( r t ⊙ h t − 1 ) + b h ) h t = ( 1 − z t ) ⊙ h t − 1 + z t ⊙ h ~ t \Large \tilde{h}_t=tanh(W_{xh}·x_t+W_{hh}·(r_t⊙h_{t-1})+b_h)\\ \Large h_t = (1-z_t)⊙h_{t-1}+z_t⊙\tilde{h}_t h~t​=tanh(Wxh​⋅xt​+Whh​⋅(rt​⊙ht−1​)+bh​)ht​=(1−zt​)⊙ht−1​+zt​⊙h~t​
这里的 ⊙ ⊙ ⊙ 表示：向量或矩阵的对应元素相乘。

这里的 h ~ t \large \tilde{h}_t h~t​ 可以理解成：是在对历史信息进行部分舍弃之后，再结合当前信息学习到的新知识（有冗余项，相当于候选的隐层状态信息输出）。

而 h t \large h_t ht​ 是在 h ~ t \large \tilde{h}_t h~t​ 的基础上，进一步对历史信息进行筛选，看看是不是还有一些有用的信息。

【补充】：其实这里的 ( 1 − z t ) (1-z_t) (1−zt​) 和 z t z_t zt​ 是可以交换的，固定好之后让模型自动学习即可。

2）说明：

  • r t \large r_t rt​ 和 z t \large z_t zt​ 虽然在表达式上相差无几，不过在模型参数的不断学习中，两者的功能会自动区分开。

    r t \large r_t rt​ 的作用实质上是在更新 h t \large h_t ht​ 的时候，舍弃多少 h t − 1 \large h_{t-1} ht−1​ 的信息（用来捕获短期依赖信息）； z t \large z_t zt​ 的作用实质上是在更新 h t \large h_t ht​ 的时候，吸收多少 h t − 1 \large h_{t-1} ht−1​ 的信息（用来捕获长期依赖信息）。

  • 隐层的尺寸一般来说都是 128 × 1 128×1 128×1 、 256 × 1 256×1 256×1 这些常规的尺寸。

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