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RNN 基础

本节定位

前面的 MLP 和 CNN 更擅长处理“静态输入”，而 RNN 要解决的是另一类问题：

输入不是一坨静态特征，而是一串有顺序的数据。

比如一句话、一个时间序列、一段日志、一串用户行为。

学习目标​

  • 理解为什么序列任务不能只靠普通 MLP 解决
  • 直觉理解 RNN 的隐藏状态（hidden state）
  • 看懂 RNN 在时间维度上的展开方式
  • 手工走一遍最小 RNN 计算流程
  • 掌握 PyTorch 中 nn.RNN 的输入输出形状
  • 理解 RNN 的优势和局限，为后面的 LSTM / GRU 做准备

一、为什么序列任务更难？​

1.1 顺序本身就是信息​

看这两句话：

  • “我不喜欢这门课”
  • “我喜欢这门课，不难”

如果只统计词频，它们都出现了：

  • 我
  • 喜欢
  • 这门课

但真正决定意思的，是顺序和上下文。

再看时间序列：

  • 第 1 天销量低，第 2 天升高，第 3 天爆发

这里也不是一堆独立数字，而是一个变化过程。

所以序列任务的难点不是“数据更多”，而是：

前面的信息会影响后面的理解。

1.2 MLP 为什么不擅长这个问题？​

MLP 可以把固定长度向量映射成输出，但它不会天然记住：

  • 第 1 个词和第 8 个词之间的关系
  • 当前值和过去趋势的关系
  • 之前看过什么、现在该保留什么

这就像你每看一句话，都强行“失忆一次”，自然很难理解长序列。

二、RNN 的核心想法：每读一步，都带着一点“记忆”​

2.1 隐藏状态是什么？​

RNN 的核心设计是隐藏状态 h_t。

你可以把它理解成：

模型读到当前这一步时，脑子里暂时记住的一点信息。

每来一个新输入 x_t，模型都会结合：

  • 当前输入 x_t
  • 上一时刻记忆 h_{t-1}

算出新的记忆 h_t。

2.2 一个很好记的类比​

RNN 很像你边听别人说话边记笔记：

  • 当前听到的新内容 = x_t
  • 之前已经记下来的重点 = h_{t-1}
  • 你更新后的笔记 = h_t

这个“边看边更新”的过程，就是 RNN 的本质。

三、RNN 在时间上是怎样展开的？​

3.1 同一套参数，反复处理每个时间步​

RNN 不会给每个时间步都单独造一套新参数。
它做的是：

用同一套参数，反复处理序列的每一个位置。

3.2 为什么“共享参数”很重要？​

因为不管句子有 5 个词还是 50 个词，模型都能用同样方式处理。
这正是 RNN 能处理变长序列的关键之一。

四、一个最小手工示例：一步步算隐藏状态​

4.1 先看最简公式​

最简单的 RNN 可以写成：

h_t = tanh(W_x * x_t + W_h * h_{t-1} + b)

这里：

  • x_t：当前输入
  • h_{t-1}：上一步记忆
  • h_t：当前新记忆

4.2 可运行示例​

import numpy as np

# 一个长度为 4 的输入序列
x_seq = [1.0, 0.5, -1.0, 2.0]

W_x = 0.8
W_h = 0.5
b = 0.1

h = 0.0  # 初始隐藏状态

for t, x_t in enumerate(x_seq, start=1):
    h = np.tanh(W_x * x_t + W_h * h + b)
    print(f"step={t}, x_t={x_t:.1f}, h_t={h:.4f}")

4.3 这段代码到底在教什么？​

它不是为了模拟真实大模型，而是为了让你先看懂：

  • RNN 每一步都依赖前一步
  • 隐藏状态会不断被更新
  • 当前输出不是只看当前输入，而是“当前输入 + 过去摘要”

这三点理解了，RNN 的核心就抓住了。

五、RNN 的输入输出到底有几种？​

5.1 Many-to-one：整段序列输出一个结果​

最典型的任务：

  • 情感分类
  • 垃圾邮件分类
  • 行为预测

输入：

  • 一串词 / 一段序列

输出：

  • 一个类别

5.2 Many-to-many：每一步都输出​

典型任务：

  • 序列标注
  • 词性标注
  • 命名实体识别

输入：

  • 一串词

输出：

  • 每个词一个标签

5.3 Sequence-to-sequence：一段输入变成另一段输出​

典型任务：

  • 机器翻译
  • 摘要生成

这一块后面会在 Seq2Seq 章节里细讲。

六、PyTorch 里的 RNN 到底怎么用？​

6.1 最小可运行示例​

import torch

torch.manual_seed(42)

# batch=2, seq_len=5, input_size=4
x = torch.randn(2, 5, 4)

rnn = torch.nn.RNN(
    input_size=4,
    hidden_size=6,
    batch_first=True
)

out, h = rnn(x)

print("x shape   :", x.shape)
print("out shape :", out.shape)
print("h shape   :", h.shape)

6.2 这些 shape 分别是什么意思？​

输入：

  • x.shape = [2, 5, 4]
  • 表示 2 个样本
  • 每个样本长度是 5
  • 每个时间步有 4 维特征

输出：

  • out.shape = [2, 5, 6]
  • 表示每个时间步都输出一个 6 维隐藏表示

最终隐藏状态：

  • h.shape = [1, 2, 6]
  • 第一个维度 1 表示层数（这里只有一层）
  • 第二个维度 2 是 batch
  • 第三个维度 6 是隐藏状态维度

6.3 out 和 h 有什么区别？​

  • out：每个时间步的输出都保留下来
  • h：最后一个时间步的隐藏状态

在 many-to-one 分类任务里，很多时候直接拿最后的 h 或 out[:, -1, :] 去做分类。

七、一个更贴近任务的小例子：序列分类​

下面我们模拟一个很小的任务：

  • 输入一串数字
  • 判断整体趋势更像“偏正”还是“偏负”
import torch
from torch import nn

torch.manual_seed(42)

# 4 条序列，每条长度 5，每步 1 维
X = torch.tensor([
    [[1.0], [1.2], [1.3], [1.1], [1.0]],
    [[-1.0], [-1.1], [-1.3], [-0.9], [-1.2]],
    [[0.8], [0.7], [1.0], [0.9], [1.1]],
    [[-0.6], [-0.7], [-0.9], [-1.0], [-0.8]]
])

y = torch.tensor([1, 0, 1, 0])

class SimpleRNNClassifier(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.rnn = nn.RNN(input_size=1, hidden_size=8, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(8, 2)

    def forward(self, x):
        out, h = self.rnn(x)
        last_hidden = out[:, -1, :]
        return self.fc(last_hidden)

model = SimpleRNNClassifier()
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.05)

for epoch in range(100):
    pred = model(X)
    loss = loss_fn(pred, y)

    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    if epoch % 20 == 0:
        print(f"epoch={epoch:3d}, loss={loss.item():.4f}")

with torch.no_grad():
    result = model(X).argmax(dim=1)
    print("预测:", result.tolist())
    print("真实:", y.tolist())

这个例子很小，但它确实在教一件事：

RNN 不是在单步上做分类，而是在整段序列上逐步累积信息，再做决策。

八、RNN 为什么后来被 LSTM / GRU 和 Transformer 挤下去？​

8.1 主要问题：长距离依赖难​

RNN 理论上可以记很久，但实际训练里经常会遇到：

  • 梯度消失
  • 梯度爆炸
  • 前面信息很快被冲淡

比如一句很长的话里，开头的信息到结尾可能已经很难保住。

8.2 训练也不够并行​

RNN 是一步一步往后算的：

  • 第 5 步要等第 4 步
  • 第 4 步要等第 3 步

这就让它在长序列上效率不高。

也正因此：

  • LSTM / GRU 先补了一波
  • Transformer 后来从根上换了思路

但 RNN 依然值得学，因为它能帮你真正理解“序列建模”的底层直觉。

九、初学者最常踩的坑​

9.1 不知道输入 shape 应该长什么样​

在 PyTorch 里，最常见的就是搞混：

  • batch_first=True
  • batch_first=False

如果设成 batch_first=True，输入通常是：

  • [batch, seq_len, input_size]

9.2 分不清 out 和 h​

记住：

  • out 看每一步
  • h 看最后总结

9.3 以为 RNN 天然就能记很长历史​

理论上可以，实践里常常不行。
这正是后面要学 LSTM / GRU 的原因。

小结​

这一节你最该带走的不是 API，而是三个稳定直觉：

  1. RNN 是为序列问题设计的，因为顺序本身就是信息
  2. 隐藏状态就是模型在“边读边记”
  3. RNN 的本质是用同一套参数，沿时间维度反复更新状态

理解了这三点，你后面再学 LSTM、Seq2Seq、注意力机制，都会顺很多。

练习​

  1. 把手工 RNN 示例里的 W_x、W_h 改掉，观察隐藏状态变化。
  2. 把 PyTorch 示例里的 hidden_size 从 6 改到 12，看 shape 怎样变化。
  3. 把分类示例里的序列换成你自己定义的数据，试着做一个简单趋势分类。
  4. 想一想：为什么一句很长的话，RNN 可能会“越读越忘掉开头”？