# 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($\phi(x)=x$)。设时间步 $t$ 的输入为单样本 $\boldsymbol{x}_t \in \mathbb{R}^d$,标签为 $y_t$,那么隐藏状态 $\boldsymbol{h}_t \in \mathbb{R}^h$的计算表达式为 $$ \boldsymbol{h}_t = \boldsymbol{W}_{hx} \boldsymbol{x}_t + \boldsymbol{W}_{hh} \boldsymbol{h}_{t-1}, $$ 其中$\boldsymbol{W}_{hx} \in \mathbb{R}^{h \times d}$和$\boldsymbol{W}_{hh} \in \mathbb{R}^{h \times h}$是隐藏层权重参数。设输出层权重参数$\boldsymbol{W}_{qh} \in \mathbb{R}^{q \times h}$,时间步$t$的输出层变量$\boldsymbol{o}_t \in \mathbb{R}^q$计算为 $$ \boldsymbol{o}_t = \boldsymbol{W}_{qh} \boldsymbol{h}_{t}. $$ 设时间步$t$的损失为$\ell(\boldsymbol{o}_t, y_t)$。时间步数为$T$的损失函数$L$定义为 $$ L = \frac{1}{T} \sum_{t=1}^T \ell (\boldsymbol{o}_t, y_t). $$ 我们将$L$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$\boldsymbol{h}_3$的计算依赖模型参数$\boldsymbol{W}_{hx}$、$\boldsymbol{W}_{hh}$、上一时间步隐藏状态$\boldsymbol{h}_2$以及当前时间步输入$\boldsymbol{x}_3$。
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 $\boldsymbol{W}_{hx}$, $\boldsymbol{W}_{hh}$ 和 $\boldsymbol{W}_{qh}$。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$\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hx}$、$\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hh}$和$\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{qh}$。 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$\partial L/\partial \boldsymbol{o}_t \in \mathbb{R}^q$很容易计算: $$\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t} = \frac{\partial \ell (\boldsymbol{o}_t, y_t)}{T \cdot \partial \boldsymbol{o}_t}.$$ 下面,我们可以计算目标函数有关模型参数$\boldsymbol{W}_{qh}$的梯度$\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{qh} \in \mathbb{R}^{q \times h}$。根据图6.3,$L$通过$\boldsymbol{o}_1, \ldots, \boldsymbol{o}_T$依赖$\boldsymbol{W}_{qh}$。依据链式法则, $$ \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{W}_{qh}} = \sum_{t=1}^T \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{o}_t}{\partial \boldsymbol{W}_{qh}}\right) = \sum_{t=1}^T \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t} \boldsymbol{h}_t^\top. $$ 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,$L$只通过$\boldsymbol{o}_T$依赖最终时间步$T$的隐藏状态$\boldsymbol{h}_T$。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$\partial L/\partial \boldsymbol{h}_T \in \mathbb{R}^h$。依据链式法则,我们得到 $$ \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_T} = \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_T}, \frac{\partial \boldsymbol{o}_T}{\partial \boldsymbol{h}_T} \right) = \boldsymbol{W}_{qh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_T}. $$ 接下来对于时间步$t < T$, 在图6.3中,$L$通过$\boldsymbol{h}_{t+1}$和$\boldsymbol{o}_t$依赖$\boldsymbol{h}_t$。依据链式法则, 目标函数有关时间步$t < T$的隐藏状态的梯度$\partial L/\partial \boldsymbol{h}_t \in \mathbb{R}^h$需要按照时间步从大到小依次计算: $$ \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} = \text{prod} (\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_{t+1}}, \frac{\partial \boldsymbol{h}_{t+1}}{\partial \boldsymbol{h}_t}) + \text{prod} (\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{o}_t}{\partial \boldsymbol{h}_t} ) = \boldsymbol{W}_{hh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_{t+1}} + \boldsymbol{W}_{qh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_t} $$ 将上面的递归公式展开,对任意时间步$1 \leq t \leq T$,我们可以得到目标函数有关隐藏状态梯度的通项公式 $$ \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} = \sum_{i=t}^T {\left(\boldsymbol{W}_{hh}^\top\right)}^{T-i} \boldsymbol{W}_{qh}^\top \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{o}_{T+t-i}}. $$ 由上式中的指数项可见,当时间步数 $T$ 较大或者时间步 $t$ 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$\partial L / \partial \boldsymbol{h}_t$项的梯度,例如隐藏层中模型参数的梯度$\partial L / \partial \boldsymbol{W}_{hx} \in \mathbb{R}^{h \times d}$和$\partial L / \partial \boldsymbol{W}_{hh} \in \mathbb{R}^{h \times h}$。 在图6.3中,$L$通过$\boldsymbol{h}_1, \ldots, \boldsymbol{h}_T$依赖这些模型参数。 依据链式法则,我们有 $$ \begin{aligned} \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{W}_{hx}} &= \sum_{t=1}^T \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{h}_t}{\partial \boldsymbol{W}_{hx}}\right) = \sum_{t=1}^T \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} \boldsymbol{x}_t^\top,\\ \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{W}_{hh}} &= \sum_{t=1}^T \text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t}, \frac{\partial \boldsymbol{h}_t}{\partial \boldsymbol{W}_{hh}}\right) = \sum_{t=1}^T \frac{\partial L}{\partial \boldsymbol{h}_t} \boldsymbol{h}_{t-1}^\top. \end{aligned} $$ 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$\partial L/\partial \boldsymbol{h}_t$被计算和存储,之后的模型参数梯度$\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hx}$和$\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hh}$的计算可以直接读取$\partial L/\partial \boldsymbol{h}_t$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$\partial L/\partial \boldsymbol{W}_{hh}$的计算需要依赖隐藏状态在时间步$t = 0, \ldots, T-1$的当前值$\boldsymbol{h}_t$($\boldsymbol{h}_0$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](https://zh.d2l.ai/chapter_recurrent-neural-networks/bptt.html)