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6.6 通过时间反向传播

在前面两节中,如果不裁剪梯度,模型将无法正常训练。为了深刻理解这一现象,本节将介绍循环神经网络中梯度的计算和存储方法,即通过时间反向传播 (back-propagation through time)。

我们在 3.14 节 (正向传播、反向传播和计算图) 中介绍了神经网络中梯度计算与存储的一般思路,并强调正向传播和反向传播相互依赖。正向传播在循环神经网络中比较直观,而通过时间反向传播其实是反向传播在循环神经网络中的具体应用。我们需要将循环神经网络按时间步展开,从而得到模型变量和参数之间的依赖关系,并依据链式法则应用反向传播计算并存储梯度。

6.6.1 定义模型

简单起见,我们考虑一个无偏差项的循环神经网络,且激活函数为恒等映射 (ϕ(x)=x\phi(x)=x)。设时间步 tt 的输入为单样本 xtRd\boldsymbol{x}_t \in \mathbb{R}^d,标签为 yty_t,那么隐藏状态 htRh\boldsymbol{h}_t \in \mathbb{R}^h 的计算表达式为

ht=Whxxt+Whhht1,\boldsymbol{h}_t = \boldsymbol{W}_{hx} \boldsymbol{x}_t + \boldsymbol{W}_{hh} \boldsymbol{h}_{t-1},

其中 WhxRh×d\boldsymbol{W}_{hx} \in \mathbb{R}^{h \times d}WhhRh×h\boldsymbol{W}_{hh} \in \mathbb{R}^{h \times h} 是隐藏层权重参数。设输出层权重参数 WqhRq×h\boldsymbol{W}_{qh} \in \mathbb{R}^{q \times h},时间步 tt 的输出层变量 otRq\boldsymbol{o}_t \in \mathbb{R}^q 计算为

ot=Wqhht.\boldsymbol{o}_t = \boldsymbol{W}_{qh} \boldsymbol{h}_{t}.

设时间步 tt 的损失为 (ot,yt)\ell(\boldsymbol{o}_t, y_t)。时间步数为 TT 的损失函数 LL 定义为

L=1Tt=1T(ot,yt).L = \frac{1}{T} \sum_{t=1}^T \ell (\boldsymbol{o}_t, y_t).

我们将 LL 称为有关给定时间步的数据样本的目标函数,并在本节后续讨论中简称为目标函数。

6.6.2 模型计算图

为了可视化循环神经网络中模型变量和参数在计算中的依赖关系,我们可以绘制模型计算图,如图 6.3 所示。例如,时间步 3 的隐藏状态 h3\boldsymbol{h}_3 的计算依赖模型参数 Whx\boldsymbol{W}_{hx}Whh\boldsymbol{W}_{hh}、上一时间步隐藏状态 h2\boldsymbol{h}_2 以及当前时间步输入 x3\boldsymbol{x}_3

图 6.3 时间步数为 3 的循环神经网络模型计算中的依赖关系。方框代表变量 (无阴影) 或参数 (有阴影),圆圈代表运算符

6.6.3 方法

刚刚提到,图 6.3 中的模型的参数是 Whx\boldsymbol{W}_{hx}, Whh\boldsymbol{W}_{hh}Wqh\boldsymbol{W}_{qh}。与 3.14 节 (正向传播、反向传播和计算图) 中的类似,训练模型通常需要模型参数的梯度 L/Whx\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hx}L/Whh\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hh}L/Wqh\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{qh}。 根据图 6.3 中的依赖关系,我们可以按照其中箭头所指的反方向依次计算并存储梯度。为了表述方便,我们依然采用 3.14 节中表达链式法则的运算符 prod。

首先,目标函数有关各时间步输出层变量的梯度 L/otRq\partial L/\partial \boldsymbol{o}_t \in \mathbb{R}^q 很容易计算:

Lot=(ot,yt)Tot.\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t} = \frac{\partial \ell (\boldsymbol{o}_t, y_t)}{T \cdot \partial \boldsymbol{o}_t}.

下面,我们可以计算目标函数有关模型参数 Wqh\boldsymbol{W}_{qh} 的梯度 L/WqhRq×h\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{qh} \in \mathbb{R}^{q \times h}。根据图 6.3,LL 通过 o1,,oT\boldsymbol{o}_1, \ldots, \boldsymbol{o}_T 依赖 Wqh\boldsymbol{W}_{qh}。依据链式法则,

LWqh=t=1Tprod(Lot,otWqh)=t=1TLotht.\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{W}_{qh}} = \sum_{t=1}^T \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{o}_t}{\partial \boldsymbol{W}_{qh}}\right) = \sum_{t=1}^T \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t} \boldsymbol{h}_t^\top.

其次,我们注意到隐藏状态之间也存在依赖关系。 在图 6.3 中,LL 只通过 oT\boldsymbol{o}_T 依赖最终时间步 TT 的隐藏状态 hT\boldsymbol{h}_T。因此,我们先计算目标函数有关最终时间步隐藏状态的梯度 L/hTRh\partial L/\partial \boldsymbol{h}_T \in \mathbb{R}^h。依据链式法则,我们得到

LhT=prod(LoT,oThT)=WqhLoT.\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_T} = \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_T}, \frac{\partial \boldsymbol{o}_T}{\partial \boldsymbol{h}_T} \right) = \boldsymbol{W}_{qh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_T}.

接下来对于时间步 t<Tt < T,在图 6.3 中,LL 通过 ht+1\boldsymbol{h}_{t+1}ot\boldsymbol{o}_t 依赖 ht\boldsymbol{h}_t。依据链式法则, 目标函数有关时间步 t<Tt < T 的隐藏状态的梯度 L/htRh\partial L/\partial \boldsymbol{h}_t \in \mathbb{R}^h 需要按照时间步从大到小依次计算:

Lht=prod(Lht+1,ht+1ht)+prod(Lot,otht)=WhhLht+1+WqhLot\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} = \text{prod} (\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_{t+1}}, \frac{\partial \boldsymbol{h}_{t+1}}{\partial \boldsymbol{h}_t}) + \text{prod} (\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{o}_t}{\partial \boldsymbol{h}_t} ) = \boldsymbol{W}_{hh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_{t+1}} + \boldsymbol{W}_{qh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t}

将上面的递归公式展开,对任意时间步 1tT1 \leq t \leq T,我们可以得到目标函数有关隐藏状态梯度的通项公式

Lht=i=tT(Whh)TiWqhLoT+ti.\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} = \sum_{i=t}^T {\left(\boldsymbol{W}_{hh}^\top\right)}^{T-i} \boldsymbol{W}_{qh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_{T+t-i}}.

由上式中的指数项可见,当时间步数 TT 较大或者时间步 tt 较小时,目标函数有关隐藏状态的梯度较容易出现衰减和爆炸。这也会影响其他包含 L/ht\partial L / \partial \boldsymbol{h}_t 项的梯度,例如隐藏层中模型参数的梯度 L/WhxRh×d\partial L / \partial \boldsymbol{W}_{hx} \in \mathbb{R}^{h \times d}L/WhhRh×h\partial L / \partial \boldsymbol{W}_{hh} \in \mathbb{R}^{h \times h}。 在图 6.3 中,LL 通过 h1,,hT\boldsymbol{h}_1, \ldots, \boldsymbol{h}_T 依赖这些模型参数。 依据链式法则,我们有

LWhx=t=1Tprod(Lht,htWhx)=t=1TLhtxt,LWhh=t=1Tprod(Lht,htWhh)=t=1TLhtht1.\begin{aligned} \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{W}_{hx}} &= \sum_{t=1}^T \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{h}_t}{\partial \boldsymbol{W}_{hx}}\right) = \sum_{t=1}^T \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} \boldsymbol{x}_t^\top,\\ \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{W}_{hh}} &= \sum_{t=1}^T \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{h}_t}{\partial \boldsymbol{W}_{hh}}\right) = \sum_{t=1}^T \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} \boldsymbol{h}_{t-1}^\top. \end{aligned}

我们已在 3.14 节里解释过,每次迭代中,我们在依次计算完以上各个梯度后,会将它们存储起来,从而避免重复计算。例如,由于隐藏状态梯度 L/ht\partial L/\partial \boldsymbol{h}_t 被计算和存储,之后的模型参数梯度 L/Whx\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hx}L/Whh\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hh} 的计算可以直接读取 L/ht\partial L/\partial \boldsymbol{h}_t 的值,而无须重复计算它们。此外,反向传播中的梯度计算可能会依赖变量的当前值。它们正是通过正向传播计算出来的。 举例来说,参数梯度 L/Whh\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hh} 的计算需要依赖隐藏状态在时间步 t=0,,T1t = 0, \ldots, T-1 的当前值 ht\boldsymbol{h}_t(h0\boldsymbol{h}_0 是初始化得到的)。这些值是通过从输入层到输出层的正向传播计算并存储得到的。

小结

  • 通过时间反向传播是反向传播在循环神经网络中的具体应用。
  • 当总的时间步数较大或者当前时间步较小时,循环神经网络的梯度较容易出现衰减或爆炸。

注:本节与原书基本相同,原书传送门