计算候选隐藏状态

GRU（Gated Recurrent Unit）单元使用两个主要门，即重置门($r_t$)和更新门($z_t$)，来生成新隐藏状态的建议。这个建议，称为候选隐藏状态（通常表示为$ilde{h}_t$），代表了单元考虑添加到其记忆中的新信息。

候选隐藏状态的计算是重置门($r_t$)发挥作用的地方。请记住，重置门决定了先前隐藏状态($h_{t-1}$)有多少应影响当前候选计算。如果重置门对于某些维度输出接近0，则先前隐藏状态的相应维度在计算新候选状态时会有效地被“遗忘”或忽略。反之，如果重置门输出接近1，则先前状态信息会被传递过去。

其主要思想是将当前输入($x_t$)与经过重置门($r_t$)选择性过滤的先前隐藏状态($h_{t-1}$)的一个版本进行组合。这个组合随后通过双曲正切($tanh$)激活函数，类似于简单RNN中隐藏状态的计算方式。

在数学上，时间步$t$的候选隐藏状态$\tilde{h}_t$计算如下：

$$\tilde{h}_t = \tanh(W_{\tilde{h}} x_t + U_{\tilde{h}} (r_t \odot h_{t-1}) + b_{\tilde{h}})$$

我们来分解这个方程：

• $x_t$：当前时间步$t$的输入向量。
• $h_{t-1}$：来自前一时间步$t-1$的隐藏状态向量。
• $r_t$：时间步$t$的重置门输出向量。
• $\odot$：此符号表示元素级乘法（Hadamard积）。这就是重置门$r_t$选择性缩放先前隐藏状态$h_{t-1}$的方式。$h_{t-1}$中的每个元素都与$r_t$中的相应元素相乘。
• $W_{\tilde{h}}$：用于转换输入$x_t$的权重矩阵。
• $U_{\tilde{h}}$：用于转换重置门控的先前隐藏状态($r_t \odot h_{t-1}$)的权重矩阵。
• $b_{\tilde{h}}$：添加到和中的偏置向量。
• $tanh$：双曲正切激活函数。它将结果向量的分量压缩到-1和1之间，有助于调节网络的激活。

权重矩阵($W_{\tilde{h}}$, $U_{\tilde{h}}$)和偏置($b_{\tilde{h}}$)在训练过程中学习。它们决定了当前输入和过去的相应部分（由重置门决定）如何组合形成候选状态。

下方的图表显示了计算候选隐藏状态$\tilde{h}_t$的数据流。

流图，显示了如何使用当前输入($x_t$)、先前隐藏状态($h_{t-1}$)和重置门($r_t$)来计算候选隐藏状态($\tilde{h}_t$)。

本质上，$\tilde{h}_t$代表了GRU单元可能将其状态更新为什么，这纯粹基于当前输入和先前状态中选择性保留的部分。它是对新记忆内容的建议。

请记住，这个候选状态$\tilde{h}_t$并非当前时间步的最终隐藏状态$h_t$。下一步，即涉及更新门$z_t$的部分，将决定这个新候选状态$\tilde{h}_t$有多少会实际与先前隐藏状态$h_{t-1}$混合，以生成最终输出$h_t$。我们将在“计算最终隐藏状态”一节中介绍这种组合过程。