RNN - 時系列を理解するニューラルネット

文章や音声など順序のあるデータを扱うRNNの仕組みと特徴を解説します。

画像が得意なCNNに対し、順序のあるデータに強いのがRNN (再帰型ニューラルネットワーク)。文章・音声・株価の推移など、時間の流れを扱うネットワークの基礎を押さえます。Transformer時代でも基礎知識として必須です。

若葉 みどり 先生(笑顔) 若葉 みどり 先生

ふふ、画像に強いのがCNNなら、順番のあるデータに強いのがRNNよ。
文章、音声、株価の推移など、順序が意味を持つデータに使うの。

胡桃 あんず(あせる) 胡桃 あんず

順番が重要って、どういうこと?

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

例えば『犬が猫を追いかけた』と『猫が犬を追いかけた』は同じ単語でも順序が違うと意味が変わるでしょ? RNNはそれを捉えられるの。
音声も『あ・い・う』と『う・い・あ』では意味が違うわね。

白銀 ゆき(普段) 白銀 ゆき

補足すると、RNNのキモは『隠れ状態を次の時刻に渡す再帰接続』です。
過去の情報を内部状態として保持したまま、次の入力を処理できる仕組みになっています。

胡桃 あんず(笑い) 胡桃 あんず

えっ、まじ!? じゃあ文章を1単語ずつ読みながら、前に何を読んだか覚えてるってこと?

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

そのとおり。
各ステップで『前の自分の出力』と『今の入力』を合わせて次の計算をするの。
数式で言うと h_t = f(W·x_t + U·h_{t-1} + b) のように、前の隠れ状態 h_{t-1} が入力の一部として使われるわ。

桜井 もも(笑顔) 桜井 もも

ぽわわ〜、しりとりみたいですぅ! 前の人が言った言葉を覚えてないと、次が出せないですもんねぇ。

若葉 みどり 先生(笑顔) 若葉 みどり 先生

素敵な例えね。
音声認識でも、前に聞こえた音の文脈があるから次の音が『あ』なのか『い』なのか判断しやすくなるの。

胡桃 あんず(普段) 胡桃 あんず

でもさ、ずーっと昔の情報まで覚えてられるもんなの?

若葉 みどり 先生(普段) 若葉 みどり 先生

とても良い質問ね。
実は基本的なRNNには『勾配消失問題』があって、長い系列になると過去の情報が薄れやすいの。
これを解決するためにLSTMやGRUが登場したのよ。
これは次の記事で扱いましょう。

白銀 ゆき(笑顔) 白銀 ゆき

現代のTransformerは、RNNに代わる形で長期依存性を扱う手法として主流になっています。
ただしRNNの考え方は今でも時系列予測など多くの応用で生きています。

胡桃 あんず(普段) 胡桃 あんず

よっしゃ! 時系列はRNN、画像はCNN、って覚えとけばいいんだね!

若葉 みどり 先生(笑顔) 若葉 みどり 先生

試験では『RNNは〇〇データに強い』という形でよく問われるから、『順序のあるデータ』『時系列データ』というキーワードで押さえておくといいわね。

白銀 ゆき(普段) 白銀 ゆき

RNNには使い分けのバリエーションがあります。
感情分析のような many-to-one、画像キャプション生成のような one-to-many、機械翻訳のような many-to-many など、入出力の形でタスクを選びます。
さらに双方向RNNという亜種もあって、過去だけでなく未来の情報も参照できるのが特徴で、文章理解タスクではこちらがよく使われます。

桜井 もも(笑顔) 桜井 もも

順番に進む物語と同じですぅ。
前のページを覚えてないと次のページが楽しめないですし、後ろから読む探偵さんみたいで面白いですぅ! 音声も一瞬一瞬の音が順番を持ってるから、RNNが活躍するんですねぇ。

確認クイズ

RNN (再帰型ニューラルネットワーク) が得意とするデータの種類はどれか?

  1. 表形式データ
  2. 時系列データ
  3. 画像データ
  4. グラフ構造データ
こたえを見る

正解: 2. 時系列データ

RNNは再帰接続により過去の情報を隠れ状態として保持できるため、時系列データや文章など順序のあるデータの処理を得意とします。画像はCNN、グラフはGNNが向きます。

胡桃あんず・白銀ゆき・桜井もものイラスト。おにぎり作りで形がみんなばらばら

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