零基础入门深度学习(6)

零基础入门深度学习(6)
无论即将到来的是大数据时代还是人工智能时代，亦或是传统行业使用人工智能在云上处理大数据的时代，作为一个有理想有追求的程序员，不懂深度学习（Deep Learning）这个超热的技术，会不会感觉马上就out了？现在救命稻草来了，《零基础入门深度学习》系列文章旨在讲帮助爱编程的你从零基础达到入门级水平。零基础意味着你不需要太多的数学知识，只要会写程序就行了，没错，这是专门为程序员写的文章。虽然文中会有很多公式你也许看不懂，但同时也会有更多的代码，程序员的你一定能看懂的（我周围是一群狂热的Clean Code程序员，所以我写的代码也不会很差）。

文章列表

零基础入门深度学习(1) - 感知器
 零基础入门深度学习(2) - 线性单元和梯度下降
 零基础入门深度学习(3) - 神经网络和反向传播算法
 零基础入门深度学习(4) - 卷积神经网络
 零基础入门深度学习(5) - 循环神经网络
 零基础入门深度学习(6) - 长短时记忆网络(LSTM)
零基础入门深度学习(7) - 递归神经网络

往期回顾

在上一篇文章中，我们介绍了循环神经网络以及它的训练算法。我们也介绍了循环神经网络很难训练的原因，这导致了它在实际应用中，很难处理长距离的依赖。在本文中，我们将介绍一种改进之后的循环神经网络：长短时记忆网络(Long Short Term Memory Network, LSTM)，它成功的解决了原始循环神经网络的缺陷，成为当前最流行的RNN，在语音识别、图片描述、自然语言处理等许多领域中成功应用。但不幸的一面是，LSTM的结构很复杂，因此，我们需要花上一些力气，才能把LSTM以及它的训练算法弄明白。在搞清楚LSTM之后，我们再介绍一种LSTM的变体：GRU (Gated Recurrent Unit)。它的结构比LSTM简单，而效果却和LSTM一样好，因此，它正在逐渐流行起来。最后，我们仍然会动手实现一个LSTM。

长短时记忆网络是啥

我们首先了解一下长短时记忆网络产生的背景。回顾一下零基础入门深度学习(5) - 循环神经网络中推导的，误差项沿时间反向传播的公式：

我们可以根据下面的不等式，来获取

我们可以看到，误差项

梯度消失到底意味着什么？在零基础入门深度学习(5) - 循环神经网络中我们已证明，权重数组W最终的梯度是各个时刻的梯度之和，即：

假设某轮训练中，各时刻的梯度以及最终的梯度之和如下图：

我们就可以看到，从上图的t-3时刻开始，梯度已经几乎减少到0了。那么，从这个时刻开始再往之前走，得到的梯度（几乎为零）就不会对最终的梯度值有任何贡献，这就相当于无论t-3时刻之前的网络状态h是什么，在训练中都不会对权重数组W的更新产生影响，也就是网络事实上已经忽略了t-3时刻之前的状态。这就是原始RNN无法处理长距离依赖的原因。

既然找到了问题的原因，那么我们就能解决它。从问题的定位到解决，科学家们大概花了7、8年时间。终于有一天，Hochreiter和Schmidhuber两位科学家发明出长短时记忆网络，一举解决这个问题。

其实，长短时记忆网络的思路比较简单。原始RNN的隐藏层只有一个状态，即h，它对于短期的输入非常敏感。那么，假如我们再增加一个状态，即c，让它来保存长期的状态，那么问题不就解决了么？如下图所示：

新增加的状态c，称为单元状态(cell state)。我们把上图按照时间维度展开：

上图仅仅是一个示意图，我们可以看出，在t时刻，LSTM的输入有三个：当前时刻网络的输入值

LSTM的关键，就是怎样控制长期状态c。在这里，LSTM的思路是使用三个控制开关。第一个开关，负责控制继续保存长期状态c；第二个开关，负责控制把即时状态输入到长期状态c；第三个开关，负责控制是否把长期状态c作为当前的LSTM的输出。三个开关的作用如下图所示：

接下来，我们要描述一下，输出h和单元状态c的具体计算方法。

长短时记忆网络的前向计算

前面描述的开关是怎样在算法中实现的呢？这就用到了门（gate）的概念。门实际上就是一层全连接层，它的输入是一个向量，输出是一个0到1之间的实数向量。假设W是门的权重向量，

门的使用，就是用门的输出向量按元素乘以我们需要控制的那个向量。因为门的输出是0到1之间的实数向量，那么，当门输出为0时，任何向量与之相乘都会得到0向量，这就相当于啥都不能通过；输出为1时，任何向量与之相乘都不会有任何改变，这就相当于啥都可以通过。因为

LSTM用两个门来控制单元状态c的内容，一个是遗忘门（forget gate），它决定了上一时刻的单元状态

我们先来看一下遗忘门：

$式$

上式中，

下图显示了遗忘门的计算：

接下来看看输入门：

$式$

上式中，

接下来，我们计算用于描述当前输入的单元状态

$式$

下图是

现在，我们计算当前时刻的单元状态

$式$

符号

这样，我们就把LSTM关于当前的记忆

$式$

下图表示输出门的计算：

LSTM最终的输出，是由输出门和单元状态共同确定的：

$式$

下图表示LSTM最终输出的计算：

式1到式6就是LSTM前向计算的全部公式。至此，我们就把LSTM前向计算讲完了。

长短时记忆网络的训练

熟悉我们这个系列文章的同学都清楚，训练部分往往比前向计算部分复杂多了。LSTM的前向计算都这么复杂，那么，可想而知，它的训练算法一定是非常非常复杂的。现在只有做几次深呼吸，再一头扎进公式海洋吧。

LSTM训练算法框架

LSTM的训练算法仍然是反向传播算法，对于这个算法，我们已经非常熟悉了。主要有下面三个步骤：
1. 前向计算每个神经元的输出值，对于LSTM来说，即
2. 反向计算每个神经元的误差项
3. 根据相应的误差项，计算每个权重的梯度。
关于公式和符号的说明

首先，我们对推导中用到的一些公式、符号做一下必要的说明。

接下来的推导中，我们设定gate的激活函数为sigmoid函数，输出的激活函数为tanh函数。他们的导数分别为：

从上面可以看出，sigmoid和tanh函数的导数都是原函数的函数。这样，我们一旦计算原函数的值，就可以用它来计算出导数的值。

LSTM需要学习的参数共有8组，分别是：遗忘门的权重矩阵

我们解释一下按元素乘

当

当

当一个行向量右乘一个对角矩阵时，相当于这个行向量按元素乘那个矩阵对角线组成的向量：

上面这两点，在我们后续推导中会多次用到。

在t时刻，LSTM的输出值为

注意，和前面几篇文章不同，我们这里假设误差项是损失函数对输出值的导数，而不是对加权输入

误差项沿时间的反向传递

沿时间反向传递误差项，就是要计算出t-1时刻的误差项

我们知道，

$是一个Jacobian矩阵。如果隐藏层h的维度是N的话，那么它就是一个矩阵。为了求出它，我们列出的计算公式，即前面的式6 和式4 ：$

显然，

$式$

下面，我们要把式7中的每个偏导数都求出来。根据式6，我们可以求出：

根据式4，我们可以求出：

因为：

我们很容易得出：

将上述偏导数带入到式7，我们得到：

$式$

根据

$式式式式$

式8到式12就是将误差沿时间反向传播一个时刻的公式。有了它，我们可以写出将误差项向前传递到任意k时刻的公式：

$式$

将误差项传递到上一层

我们假设当前为第l层，定义l-1层的误差项是误差函数对l-1层加权输入的导数，即：

本次LSTM的输入

上式中，

因为

$式$

式14就是将误差传递到上一层的公式。

权重梯度的计算

对于

我们已经求得了误差项

将各个时刻的梯度加在一起，就能得到最终的梯度：

对于偏置项

下面是最终的偏置项梯度，即将各个时刻的偏置项梯度加在一起：

对于

以上就是LSTM的训练算法的全部公式。因为这里面存在很多重复的模式，仔细看看，会发觉并不是太复杂。

当然，LSTM存在着相当多的变体，读者可以在互联网上找到很多资料。因为大家已经熟悉了基本LSTM的算法，因此理解这些变体比较容易，因此本文就不再赘述了。

长短时记忆网络的实现

完整代码请参考GitHub: https://github.com/hanbt/learn_dl/blob/master/lstm.py (python2.7)

在下面的实现中，LSTMLayer的参数包括输入维度、输出维度、隐藏层维度，单元状态维度等于隐藏层维度。gate的激活函数为sigmoid函数，输出的激活函数为tanh。

激活函数的实现

我们先实现两个激活函数：sigmoid和tanh。
1. class SigmoidActivator(object):
2. def forward(self, weighted_input):
3. return 1.0 / (1.0 + np.exp(-weighted_input))
5. def backward(self, output):
6. return output * (1 - output)
9. class TanhActivator(object):
10. def forward(self, weighted_input):
11. return 2.0 / (1.0 + np.exp(-2 * weighted_input)) - 1.0
13. def backward(self, output):
14. return 1 - output * output
LSTM初始化

和前两篇文章代码架构一样，我们把LSTM的实现放在LstmLayer类中。

根据LSTM前向计算和方向传播算法，我们需要初始化一系列矩阵和向量。这些矩阵和向量有两类用途，一类是用于保存模型参数，例如

在构造函数的初始化中，只初始化了与forward计算相关的变量，与backward相关的变量没有初始化。这是因为构造LSTM对象的时候，我们还不知道它未来是用于训练（既有forward又有backward）还是推理（只有forward）。
1. class LstmLayer(object):
2. def __init__(self, input_width, state_width,
3. learning_rate):
4. self.input_width = input_width
5. self.state_width = state_width
6. self.learning_rate = learning_rate
7. # 门的激活函数
8. self.gate_activator = SigmoidActivator()
9. # 输出的激活函数
10. self.output_activator = TanhActivator()
11. # 当前时刻初始化为t0
12. self.times = 0
13. # 各个时刻的单元状态向量c
14. self.c_list = self.init_state_vec()
15. # 各个时刻的输出向量h
16. self.h_list = self.init_state_vec()
17. # 各个时刻的遗忘门f
18. self.f_list = self.init_state_vec()
19. # 各个时刻的输入门i
20. self.i_list = self.init_state_vec()
21. # 各个时刻的输出门o
22. self.o_list = self.init_state_vec()
23. # 各个时刻的即时状态c~
24. self.ct_list = self.init_state_vec()
25. # 遗忘门权重矩阵Wfh, Wfx, 偏置项bf
26. self.Wfh, self.Wfx, self.bf = (
27. self.init_weight_mat())
28. # 输入门权重矩阵Wfh, Wfx, 偏置项bf
29. self.Wih, self.Wix, self.bi = (
30. self.init_weight_mat())
31. # 输出门权重矩阵Wfh, Wfx, 偏置项bf
32. self.Woh, self.Wox, self.bo = (
33. self.init_weight_mat())
34. # 单元状态权重矩阵Wfh, Wfx, 偏置项bf
35. self.Wch, self.Wcx, self.bc = (
36. self.init_weight_mat())
38. def init_state_vec(self):
39. '''
40. 初始化保存状态的向量
41. '''
42. state_vec_list = []
43. state_vec_list.append(np.zeros(
44. (self.state_width, 1)))
45. return state_vec_list
47. def init_weight_mat(self):
48. '''
49. 初始化权重矩阵
50. '''
51. Wh = np.random.uniform(-1e-4, 1e-4,
52. (self.state_width, self.state_width))
53. Wx = np.random.uniform(-1e-4, 1e-4,
54. (self.state_width, self.input_width))
55. b = np.zeros((self.state_width, 1))
56. return Wh, Wx, b
前向计算的实现

forward方法实现了LSTM的前向计算：
1. def forward(self, x):
2. '''
3. 根据式1-式6进行前向计算
4. '''
5. self.times += 1
6. # 遗忘门
7. fg = self.calc_gate(x, self.Wfx, self.Wfh,
8. self.bf, self.gate_activator)
9. self.f_list.append(fg)
10. # 输入门
11. ig = self.calc_gate(x, self.Wix, self.Wih,
12. self.bi, self.gate_activator)
13. self.i_list.append(ig)
14. # 输出门
15. og = self.calc_gate(x, self.Wox, self.Woh,
16. self.bo, self.gate_activator)
17. self.o_list.append(og)
18. # 即时状态
19. ct = self.calc_gate(x, self.Wcx, self.Wch,
20. self.bc, self.output_activator)
21. self.ct_list.append(ct)
22. # 单元状态
23. c = fg * self.c_list[self.times - 1] + ig * ct
24. self.c_list.append(c)
25. # 输出
26. h = og * self.output_activator.forward(c)
27. self.h_list.append(h)
29. def calc_gate(self, x, Wx, Wh, b, activator):
30. '''
31. 计算门
32. '''
33. h = self.h_list[self.times - 1] # 上次的LSTM输出
34. net = np.dot(Wh, h) + np.dot(Wx, x) + b
35. gate = activator.forward(net)
36. return gate
从上面的代码我们可以看到，门的计算都是相同的算法，而门和

反向传播算法的实现

backward方法实现了LSTM的反向传播算法。需要注意的是，与backword相关的内部状态变量是在调用backward方法之后才初始化的。这种延迟初始化的一个好处是，如果LSTM只是用来推理，那么就不需要初始化这些变量，节省了很多内存。
1. def backward(self, x, delta_h, activator):
2. '''
3. 实现LSTM训练算法
4. '''
5. self.calc_delta(delta_h, activator)
6. self.calc_gradient(x)
算法主要分成两个部分，一部分使计算误差项：
1. def calc_delta(self, delta_h, activator):
2. # 初始化各个时刻的误差项
3. self.delta_h_list = self.init_delta() # 输出误差项
4. self.delta_o_list = self.init_delta() # 输出门误差项
5. self.delta_i_list = self.init_delta() # 输入门误差项
6. self.delta_f_list = self.init_delta() # 遗忘门误差项
7. self.delta_ct_list = self.init_delta() # 即时输出误差项
9. # 保存从上一层传递下来的当前时刻的误差项
10. self.delta_h_list[-1] = delta_h
12. # 迭代计算每个时刻的误差项
13. for k in range(self.times, 0, -1):
14. self.calc_delta_k(k)
16. def init_delta(self):
17. '''
18. 初始化误差项
19. '''
20. delta_list = []
21. for i in range(self.times + 1):
22. delta_list.append(np.zeros(
23. (self.state_width, 1)))
24. return delta_list
26. def calc_delta_k(self, k):
27. '''
28. 根据k时刻的delta_h，计算k时刻的delta_f、
29. delta_i、delta_o、delta_ct，以及k-1时刻的delta_h
30. '''
31. # 获得k时刻前向计算的值
32. ig = self.i_list[k]
33. og = self.o_list[k]
34. fg = self.f_list[k]
35. ct = self.ct_list[k]
36. c = self.c_list[k]
37. c_prev = self.c_list[k-1]
38. tanh_c = self.output_activator.forward(c)
39. delta_k = self.delta_h_list[k]
41. # 根据式9计算delta_o
42. delta_o = (delta_k * tanh_c *
43. self.gate_activator.backward(og))
44. delta_f = (delta_k * og *
45. (1 - tanh_c * tanh_c) * c_prev *
46. self.gate_activator.backward(fg))
47. delta_i = (delta_k * og *
48. (1 - tanh_c * tanh_c) * ct *
49. self.gate_activator.backward(ig))
50. delta_ct = (delta_k * og *
51. (1 - tanh_c * tanh_c) * ig *
52. self.output_activator.backward(ct))
53. delta_h_prev = (
54. np.dot(delta_o.transpose(), self.Woh) +
55. np.dot(delta_i.transpose(), self.Wih) +
56. np.dot(delta_f.transpose(), self.Wfh) +
57. np.dot(delta_ct.transpose(), self.Wch)
58. ).transpose()
60. # 保存全部delta值
61. self.delta_h_list[k-1] = delta_h_prev
62. self.delta_f_list[k] = delta_f
63. self.delta_i_list[k] = delta_i
64. self.delta_o_list[k] = delta_o
65. self.delta_ct_list[k] = delta_ct
另一部分是计算梯度：
1. def calc_gradient(self, x):
2. # 初始化遗忘门权重梯度矩阵和偏置项
3. self.Wfh_grad, self.Wfx_grad, self.bf_grad = (
4. self.init_weight_gradient_mat())
5. # 初始化输入门权重梯度矩阵和偏置项
6. self.Wih_grad, self.Wix_grad, self.bi_grad = (
7. self.init_weight_gradient_mat())
8. # 初始化输出门权重梯度矩阵和偏置项
9. self.Woh_grad, self.Wox_grad, self.bo_grad = (
10. self.init_weight_gradient_mat())
11. # 初始化单元状态权重梯度矩阵和偏置项
12. self.Wch_grad, self.Wcx_grad, self.bc_grad = (
13. self.init_weight_gradient_mat())
15. # 计算对上一次输出h的权重梯度
16. for t in range(self.times, 0, -1):
17. # 计算各个时刻的梯度
18. (Wfh_grad, bf_grad,
19. Wih_grad, bi_grad,
20. Woh_grad, bo_grad,
21. Wch_grad, bc_grad) = (
22. self.calc_gradient_t(t))
23. # 实际梯度是各时刻梯度之和
24. self.Wfh_grad += Wfh_grad
25. self.bf_grad += bf_grad
26. self.Wih_grad += Wih_grad
27. self.bi_grad += bi_grad
28. self.Woh_grad += Woh_grad
29. self.bo_grad += bo_grad
30. self.Wch_grad += Wch_grad
31. self.bc_grad += bc_grad
32. print '-----%d-----' % t
33. print Wfh_grad
34. print self.Wfh_grad
36. # 计算对本次输入x的权重梯度
37. xt = x.transpose()
38. self.Wfx_grad = np.dot(self.delta_f_list[-1], xt)
39. self.Wix_grad = np.dot(self.delta_i_list[-1], xt)
40. self.Wox_grad = np.dot(self.delta_o_list[-1], xt)
41. self.Wcx_grad = np.dot(self.delta_ct_list[-1], xt)
43. def init_weight_gradient_mat(self):
44. '''
45. 初始化权重矩阵
46. '''
47. Wh_grad = np.zeros((self.state_width,
48. self.state_width))
49. Wx_grad = np.zeros((self.state_width,
50. self.input_width))
51. b_grad = np.zeros((self.state_width, 1))
52. return Wh_grad, Wx_grad, b_grad
54. def calc_gradient_t(self, t):
55. '''
56. 计算每个时刻t权重的梯度
57. '''
58. h_prev = self.h_list[t-1].transpose()
59. Wfh_grad = np.dot(self.delta_f_list[t], h_prev)
60. bf_grad = self.delta_f_list[t]
61. Wih_grad = np.dot(self.delta_i_list[t], h_prev)
62. bi_grad = self.delta_f_list[t]
63. Woh_grad = np.dot(self.delta_o_list[t], h_prev)
64. bo_grad = self.delta_f_list[t]
65. Wch_grad = np.dot(self.delta_ct_list[t], h_prev)
66. bc_grad = self.delta_ct_list[t]
67. return Wfh_grad, bf_grad, Wih_grad, bi_grad,
68. Woh_grad, bo_grad, Wch_grad, bc_grad
梯度下降算法的实现

下面是用梯度下降算法来更新权重：
1. def update(self):
2. '''
3. 按照梯度下降，更新权重
4. '''
5. self.Wfh -= self.learning_rate * self.Whf_grad
6. self.Wfx -= self.learning_rate * self.Whx_grad
7. self.bf -= self.learning_rate * self.bf_grad
8. self.Wih -= self.learning_rate * self.Whi_grad
9. self.Wix -= self.learning_rate * self.Whi_grad
10. self.bi -= self.learning_rate * self.bi_grad
11. self.Woh -= self.learning_rate * self.Wof_grad
12. self.Wox -= self.learning_rate * self.Wox_grad
13. self.bo -= self.learning_rate * self.bo_grad
14. self.Wch -= self.learning_rate * self.Wcf_grad
15. self.Wcx -= self.learning_rate * self.Wcx_grad
16. self.bc -= self.learning_rate * self.bc_grad
梯度检查的实现

和RecurrentLayer一样，为了支持梯度检查，我们需要支持重置内部状态：
1. def reset_state(self):
2. # 当前时刻初始化为t0
3. self.times = 0
4. # 各个时刻的单元状态向量c
5. self.c_list = self.init_state_vec()
6. # 各个时刻的输出向量h
7. self.h_list = self.init_state_vec()
8. # 各个时刻的遗忘门f
9. self.f_list = self.init_state_vec()
10. # 各个时刻的输入门i
11. self.i_list = self.init_state_vec()
12. # 各个时刻的输出门o
13. self.o_list = self.init_state_vec()
14. # 各个时刻的即时状态c~
15. self.ct_list = self.init_state_vec()
最后，是梯度检查的代码：
1. def data_set():
2. x = [np.array([[1], [2], [3]]),
3. np.array([[2], [3], [4]])]
4. d = np.array([[1], [2]])
5. return x, d
7. def gradient_check():
8. '''
9. 梯度检查
10. '''
11. # 设计一个误差函数，取所有节点输出项之和
12. error_function = lambda o: o.sum()
14. lstm = LstmLayer(3, 2, 1e-3)
16. # 计算forward值
17. x, d = data_set()
18. lstm.forward(x[0])
19. lstm.forward(x[1])
21. # 求取sensitivity map
22. sensitivity_array = np.ones(lstm.h_list[-1].shape,
23. dtype=np.float64)
24. # 计算梯度
25. lstm.backward(x[1], sensitivity_array, IdentityActivator())
27. # 检查梯度
28. epsilon = 10e-4
29. for i in range(lstm.Wfh.shape[0]):
30. for j in range(lstm.Wfh.shape[1]):
31. lstm.Wfh[i,j] += epsilon
32. lstm.reset_state()
33. lstm.forward(x[0])
34. lstm.forward(x[1])
35. err1 = error_function(lstm.h_list[-1])
36. lstm.Wfh[i,j] -= 2*epsilon
37. lstm.reset_state()
38. lstm.forward(x[0])
39. lstm.forward(x[1])
40. err2 = error_function(lstm.h_list[-1])
41. expect_grad = (err1 - err2) / (2 * epsilon)
42. lstm.Wfh[i,j] += epsilon
43. print 'weights(%d,%d): expected - actural %.4e - %.4e' % (
44. i, j, expect_grad, lstm.Wfh_grad[i,j])
45. return lstm
我们只对

GRU

前面我们讲了一种普通的LSTM，事实上LSTM存在很多变体，许多论文中的LSTM都或多或少的不太一样。在众多的LSTM变体中，GRU (Gated Recurrent Unit)也许是最成功的一种。它对LSTM做了很多简化，同时却保持着和LSTM相同的效果。因此，GRU最近变得越来越流行。

GRU对LSTM做了两个大改动：
1. 将输入门、遗忘门、输出门变为两个门：更新门（Update Gate）
2. 将单元状态与输出合并为一个状态：
GRU的前向计算公式为：

下图是GRU的示意图：

GRU的训练算法比LSTM简单一些，留给读者自行推导，本文就不再赘述了。

小结

至此，LSTM——也许是结构最复杂的一类神经网络——就讲完了，相信拿下前几篇文章的读者们搞定这篇文章也不在话下吧！现在我们已经了解循环神经网络和它最流行的变体——LSTM，它们都可以用来处理序列。但是，有时候仅仅拥有处理序列的能力还不够，还需要处理比序列更为复杂的结构（比如树结构），这时候就需要用到另外一类网络：递归神经网络(Recursive Neural Network)，巧合的是，它的缩写也是RNN。在下一篇文章中，我们将介绍递归神经网络和它的训练算法。现在，漫长的烧脑暂告一段落，休息一下吧:)

参考资料
相关阅读:
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 【PyQt5-Qt Designer】QProgressBar() 进度条
 【PyQt5-Qt Designer】QSlider滑块
 Tomcat eclipse 启动时一个工程影响另一个工程
 apache thrift 和 apache jersey 记录
 常用 Linux 命令
 mac 命令记录
 eclipse m2eclipse 从Maven的本地库中读取依赖库
 成功build Maven但eclipse中依然显示该工程有错误
 mac install: /usr/bin/unrar: Operation not permitted
原文地址：https://www.cnblogs.com/shuimuqingyang/p/10473337.html

零基础入门深度学习(6)

文章列表

往期回顾

长短时记忆网络是啥

长短时记忆网络的前向计算

长短时记忆网络的训练

LSTM训练算法框架

关于公式和符号的说明

误差项沿时间的反向传递

将误差项传递到上一层

权重梯度的计算

长短时记忆网络的实现

激活函数的实现

LSTM初始化

前向计算的实现

反向传播算法的实现

梯度下降算法的实现

梯度检查的实现

GRU

小结

参考资料