RNN-based is not always easy to learn

RNN-based is always not easy to learn

一般而言，你在做training的时候，你会希望，你的learning curve是像蓝色这条线，纵轴是total loss，横轴是epoch的数目，你会希望：随着epoch的增加，参数的不断update，loss会慢慢下降最后趋于收敛。但不幸的是，在训练RNN的时候，有时会看到这条绿色的线

我们分析下RNN的性质，看看RNN的error surface的变化

假设你从橙色的点当作初始点（$w_1=-2.2,w_2=4.6$），利用Gradient Descent更新参数，有一种情况是你一脚蹬上了悬崖，loss暴涨。另一种更惨的情况是你一脚踩到了悬崖边上（从右往左数第三个橙色的点），此时当前这个点的Gradient很大，导致整个参数飞出去了

解决办法相当粗暴，clipping。具体来说就是当Gradient大于某个设定的阈时，让Gradient直接等于这个阈值，所以就算踩在这个悬崖边上，也不会飞出去，而是飞到一个比较近的地方，这样你还可以继续做RNN的training

思考：为什么RNN会有这种奇怪的特性？有人认为，是不是因为activation function用的是sigmoid从而导致了Gradient Vanish，其实并不是，如果真是这个问题，你换成ReLU去解决是不是就行了？并不，使用ReLU会导致RNN performance更差，所以activation function其实并不是关键点

举个很简单的例子，只有一个neuron，这个neuron是Linear的。input没有bias，weight是1。output的weight也是1，transition的weight是$w$，也就是说memory接到neuron的input weight是$w$

现在假设input是[1,0,0,0,...,0]，那这个neural network在最后一个时间点（1000）的output值就是$w^{999}$。假设$w$是我们要learn的参数，我们想知道它的Gradient，所以我们观察一下当$w$改变的而时候，对neural的output有多大的影响。假设$w=1$，那么$y^{1000}=1$；假设$w=1.01$，那么$y^{1000}\approx 20000$，这就跟蝴蝶效应一样，$w$有一点小小的变化，就会对output产生非常大的影响，但是我们可以通过把learning rate设小一点。但如果假设$w=0.99$，那么$y^{1000}\approx 0$，也就是说这时候需要一个很大的learning rate。所以，一会儿你又要很小的learning rate，一会儿又要很大的learning rate，这就很麻烦了。RNN training的问题其实来自于它把同样的东西在transition的时候反复使用，所以这个$w$只要一有变化，造成的影响都是天崩地裂级别的