A. 一文看懂四种基本的神经网络架构
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刚刚入门神经网络,往往会对众多的神经网络架构感到困惑,神经网络看起来复杂多样,但是这么多架构无非也就是三类,前馈神经网络,循环网络,对称连接网络,本文将介绍四种常见的神经网络,分别是CNN,RNN,DBN,GAN。通过这四种基本的神经网络架构,我们来对神经网络进行一定的了解。
神经网络是机器学习中的一种模型,是一种模仿动物神经网络行为特征,进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,从而达到处理信息的目的。
一般来说,神经网络的架构可以分为三类:
前馈神经网络:
这是实际应用中最常见的神经网络类型。第一层是输入,最后一层是输出。如果有多个隐藏层,我们称之为“深度”神经网络。他们计算出一系列改变样本相似性的变换。各层神经元的活动是前一层活动的非线性函数。
循环网络:
循环网络在他们的连接图中定向了循环,这意味着你可以按照箭头回到你开始的地方。他们可以有复杂的动态,使其很难训练。他们更具有生物真实性。
循环网络的目的使用来处理序列数据。在传统的神经网络模型中,是从输入层到隐含层再到输出层,层与层之间是全连接的,每层之间的节点是无连接的。但是这种普通的神经网络对于很多问题却无能无力。例如,你要预测句子的下一个单词是什么,一般需要用到前面的单词,因为一个句子中前后单词并不是独立的。
循环神经网路,即一个序列当前的输出与前面的输出也有关。具体的表现形式为网络会对前面的信息进行记忆并应用于当前输出的计算中,即隐藏层之间的节点不再无连接而是有连接的,并且隐藏层的输入不仅包括输入层的输出还包括上一时刻隐藏层的输出。
对称连接网络:
对称连接网络有点像循环网络,但是单元之间的连接是对称的(它们在两个方向上权重相同)。比起循环网络,对称连接网络更容易分析。这个网络中有更多的限制,因为它们遵守能量函数定律。没有隐藏单元的对称连接网络被称为“Hopfield 网络”。有隐藏单元的对称连接的网络被称为玻尔兹曼机。
其实之前的帖子讲过一些关于感知机的内容,这里再复述一下。
首先还是这张图
这是一个M-P神经元
一个神经元有n个输入,每一个输入对应一个权值w,神经元内会对输入与权重做乘法后求和,求和的结果与偏置做差,最终将结果放入激活函数中,由激活函数给出最后的输出,输出往往是二进制的,0 状态代表抑制,1 状态代表激活。
可以把感知机看作是 n 维实例空间中的超平面决策面,对于超平面一侧的样本,感知器输出 1,对于另一侧的实例输出 0,这个决策超平面方程是 w⋅x=0。 那些可以被某一个超平面分割的正反样例集合称为线性可分(linearly separable)样例集合,它们就可以使用图中的感知机表示。
与、或、非问题都是线性可分的问题,使用一个有两输入的感知机能容易地表示,而异或并不是一个线性可分的问题,所以使用单层感知机是不行的,这时候就要使用多层感知机来解决疑惑问题了。
如果我们要训练一个感知机,应该怎么办呢?
我们会从随机的权值开始,反复地应用这个感知机到每个训练样例,只要它误分类样例就修改感知机的权值。重复这个过程,直到感知机正确分类所有的样例。每一步根据感知机训练法则来修改权值,也就是修改与输入 xi 对应的权 wi,法则如下:
这里 t 是当前训练样例的目标输出,o 是感知机的输出,η 是一个正的常数称为学习速率。学习速率的作用是缓和每一步调整权的程度,它通常被设为一个小的数值(例如 0.1),而且有时会使其随着权调整次数的增加而衰减。
多层感知机,或者说是多层神经网络无非就是在输入层与输出层之间加了多个隐藏层而已,后续的CNN,DBN等神经网络只不过是将重新设计了每一层的类型。感知机可以说是神经网络的基础,后续更为复杂的神经网络都离不开最简单的感知机的模型,
谈到机器学习,我们往往还会跟上一个词语,叫做模式识别,但是真实环境中的模式识别往往会出现各种问题。比如:
图像分割:真实场景中总是掺杂着其它物体。很难判断哪些部分属于同一个对象。对象的某些部分可以隐藏在其他对象的后面。
物体光照:像素的强度被光照强烈影响。
图像变形:物体可以以各种非仿射方式变形。例如,手写也可以有一个大的圆圈或只是一个尖头。
情景支持:物体所属类别通常由它们的使用方式来定义。例如,椅子是为了让人们坐在上面而设计的,因此它们具有各种各样的物理形状。
卷积神经网络与普通神经网络的区别在于,卷积神经网络包含了一个由卷积层和子采样层构成的特征抽取器。在卷积神经网络的卷积层中,一个神经元只与部分邻层神经元连接。在CNN的一个卷积层中,通常包含若干个特征平面(featureMap),每个特征平面由一些矩形排列的的神经元组成,同一特征平面的神经元共享权值,这里共享的权值就是卷积核。卷积核一般以随机小数矩阵的形式初始化,在网络的训练过程中卷积核将学习得到合理的权值。共享权值(卷积核)带来的直接好处是减少网络各层之间的连接,同时又降低了过拟合的风险。子采样也叫做池化(pooling),通常有均值子采样(mean pooling)和最大值子采样(max pooling)两种形式。子采样可以看作一种特殊的卷积过程。卷积和子采样大大简化了模型复杂度,减少了模型的参数。
卷积神经网络由三部分构成。第一部分是输入层。第二部分由n个卷积层和池化层的组合组成。第三部分由一个全连结的多层感知机分类器构成。
这里举AlexNet为例:
·输入:224×224大小的图片,3通道
·第一层卷积:11×11大小的卷积核96个,每个GPU上48个。
·第一层max-pooling:2×2的核。
·第二层卷积:5×5卷积核256个,每个GPU上128个。
·第二层max-pooling:2×2的核。
·第三层卷积:与上一层是全连接,3*3的卷积核384个。分到两个GPU上个192个。
·第四层卷积:3×3的卷积核384个,两个GPU各192个。该层与上一层连接没有经过pooling层。
·第五层卷积:3×3的卷积核256个,两个GPU上个128个。
·第五层max-pooling:2×2的核。
·第一层全连接:4096维,将第五层max-pooling的输出连接成为一个一维向量,作为该层的输入。
·第二层全连接:4096维
·Softmax层:输出为1000,输出的每一维都是图片属于该类别的概率。
卷积神经网络在模式识别领域有着重要应用,当然这里只是对卷积神经网络做了最简单的讲解,卷积神经网络中仍然有很多知识,比如局部感受野,权值共享,多卷积核等内容,后续有机会再进行讲解。
传统的神经网络对于很多问题难以处理,比如你要预测句子的下一个单词是什么,一般需要用到前面的单词,因为一个句子中前后单词并不是独立的。RNN之所以称为循环神经网路,即一个序列当前的输出与前面的输出也有关。具体的表现形式为网络会对前面的信息进行记忆并应用于当前输出的计算中,即隐藏层之间的节点不再无连接而是有连接的,并且隐藏层的输入不仅包括输入层的输出还包括上一时刻隐藏层的输出。理论上,RNN能够对任何长度的序列数据进行处理。
这是一个简单的RNN的结构,可以看到隐藏层自己是可以跟自己进行连接的。
那么RNN为什么隐藏层能够看到上一刻的隐藏层的输出呢,其实我们把这个网络展开来开就很清晰了。
从上面的公式我们可以看出,循环层和全连接层的区别就是循环层多了一个权重矩阵 W。
如果反复把式2带入到式1,我们将得到:
在讲DBN之前,我们需要对DBN的基本组成单位有一定的了解,那就是RBM,受限玻尔兹曼机。
首先什么是玻尔兹曼机?
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如图所示为一个玻尔兹曼机,其蓝色节点为隐层,白色节点为输入层。
玻尔兹曼机和递归神经网络相比,区别体现在以下几点:
1、递归神经网络本质是学习一个函数,因此有输入和输出层的概念,而玻尔兹曼机的用处在于学习一组数据的“内在表示”,因此其没有输出层的概念。
2、递归神经网络各节点链接为有向环,而玻尔兹曼机各节点连接成无向完全图。
而受限玻尔兹曼机是什么呢?
最简单的来说就是加入了限制,这个限制就是将完全图变成了二分图。即由一个显层和一个隐层构成,显层与隐层的神经元之间为双向全连接。
h表示隐藏层,v表示显层
在RBM中,任意两个相连的神经元之间有一个权值w表示其连接强度,每个神经元自身有一个偏置系数b(对显层神经元)和c(对隐层神经元)来表示其自身权重。
具体的公式推导在这里就不展示了
DBN是一个概率生成模型,与传统的判别模型的神经网络相对,生成模型是建立一个观察数据和标签之间的联合分布,对P(Observation|Label)和 P(Label|Observation)都做了评估,而判别模型仅仅而已评估了后者,也就是P(Label|Observation)。
DBN由多个限制玻尔兹曼机(Restricted Boltzmann Machines)层组成,一个典型的神经网络类型如图所示。这些网络被“限制”为一个可视层和一个隐层,层间存在连接,但层内的单元间不存在连接。隐层单元被训练去捕捉在可视层表现出来的高阶数据的相关性。
生成对抗网络其实在之前的帖子中做过讲解,这里在说明一下。
生成对抗网络的目标在于生成,我们传统的网络结构往往都是判别模型,即判断一个样本的真实性。而生成模型能够根据所提供的样本生成类似的新样本,注意这些样本是由计算机学习而来的。
GAN一般由两个网络组成,生成模型网络,判别模型网络。
生成模型 G 捕捉样本数据的分布,用服从某一分布(均匀分布,高斯分布等)的噪声 z 生成一个类似真实训练数据的样本,追求效果是越像真实样本越好;判别模型 D 是一个二分类器,估计一个样本来自于训练数据(而非生成数据)的概率,如果样本来自于真实的训练数据,D 输出大概率,否则,D 输出小概率。
举个例子:生成网络 G 好比假币制造团伙,专门制造假币,判别网络 D 好比警察,专门检测使用的货币是真币还是假币,G 的目标是想方设法生成和真币一样的货币,使得 D 判别不出来,D 的目标是想方设法检测出来 G 生成的假币。
传统的判别网络:
生成对抗网络:
下面展示一个cDCGAN的例子(前面帖子中写过的)
生成网络
判别网络
最终结果,使用MNIST作为初始样本,通过学习后生成的数字,可以看到学习的效果还是不错的。
本文非常简单的介绍了四种神经网络的架构,CNN,RNN,DBN,GAN。当然也仅仅是简单的介绍,并没有深层次讲解其内涵。这四种神经网络的架构十分常见,应用也十分广泛。当然关于神经网络的知识,不可能几篇帖子就讲解完,这里知识讲解一些基础知识,帮助大家快速入(zhuang)门(bi)。后面的帖子将对深度自动编码器,Hopfield 网络长短期记忆网络(LSTM)进行讲解。
B. 卷积神经网络CNN在图像识别问题应用综述(20191219)
这两天在公司做PM实习,主要是自学一些CV的知识,以了解产品在解决一些在图像识别、图像搜索方面的问题,学习的主要方式是在知网检索了6.7篇国内近3年计算机视觉和物体识别的硕博士论文。由于时间关系,后面还会继续更新图片相似度计算(以图搜图)等方面的学习成果
将这两天的学习成果在这里总结一下。你将会看到计算机视觉在解决特定物体识别问题(主要是卷积神经网络CNNs)的基础过程和原理,但这里不会深入到技术的实现层面。
计算机视觉(Computer vision)是一门研究如何使机器“看”的科学,更进一步的说,就是指用摄影机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等机器视觉,并进一步做图像处理,用计算机处理成为更适合人眼观察或传送给仪器检测的图像。
————维基网络
通常而言,计算机视觉的研究包括三个层次:
(1)底层特征的研究:
这一层次的研究主要聚焦如何高效提取出图像对象具有判别性能的特征,具体的研究内容通常包括:物体识别、字符识别等
(2)中层语义特征的研究:
该层次的研究在于在识别出对象的基础上,对其位置、边缘等信息能够准确区分。现在比较热门的:图像分割;语义分割;场景标注等,都属于该领域的范畴
(3)高层语义理解:
这一层次建立在前两层的基础上,其核心在于“理解”一词。 目标在于对复杂图像中的各个对象完成语义级别的理解。这一层次的研究常常应用于:场景识别、图像摘要生成及图像语义回答等。
而我研究的问题主要隶属于底层特征和中层语义特征研究中的物体识别和场景标注问题。
人类的视觉工作模式是这样的:
首先,我们大脑中的神经元接收到大量的信息微粒,但我们的大脑还并不能处理它们。
于是接着神经元与神经元之间交互将大量的微粒信息整合成一条又一条的线。
接着,无数条线又整合成一个个轮廓。
最后多个轮廓累加终于聚合我们现在眼前看到的样子。
计算机科学受到神经科学的启发,也采用了类似的工作方式。具体而言,图像识别问题一般都遵循下面几个流程
(1)获取底层信息。获取充分且清洁的高质量数据往往是图像识别工作能否成功的关键所在
(2)数据预处理工作,在图像识别领域主要包括四个方面的技术:去噪处理(提升信噪比)、图像增强和图像修复(主要针对不够清晰或有破损缺失的图像);归一化处理(一方面是为了减少开销、提高算法的性能,另一方面则是为了能成功使用深度学习等算法,这类算法必须使用归一化数据)。
(3)特征提取,这一点是该领域的核心,也是本文的核心。图像识别的基础是能够提取出足够高质量,能体现图像独特性和区分度的特征。
过去在10年代之前我们主要还是更多的使用传统的人工特征提取方法,如PCALCA等来提取一些人工设计的特征,主要的方法有(HOG、LBP以及十分着名的SIFT算法)。但是这些方法普遍存在(a)一般基于图像的一些提层特征信息(如色彩、纹理等)难以表达复杂的图像高层语义,故泛化能力普遍比较弱。(b)这些方法一般都针对特定领域的特定应用设计,泛化能力和迁移的能力大多比较弱。
另外一种思路是使用BP方法,但是毕竟BP方法是一个全连接的神经网络。这以为这我们非常容易发生过拟合问题(每个元素都要负责底层的所有参数),另外也不能根据样本对训练过程进行优化,实在是费时又费力。
因此,一些研究者开始尝试把诸如神经网络、深度学习等方法运用到特征提取的过程中,以十几年前深度学习方法在业界最重要的比赛ImageNet中第一次战胜了SIFT算法为分界线,由于其使用权重共享和特征降采样,充分利用了数据的特征。几乎每次比赛的冠军和主流都被深度学习算法及其各自改进型所占领。其中,目前使用较多又最为主流的是CNN算法,在第四部分主要也研究CNN方法的机理。
上图是一个简易的神经网络,只有一层隐含层,而且是全连接的(如图,上一层的每个节点都要对下一层的每个节点负责。)具体神经元与神经元的作用过程可见下图。
在诸多传统的神经网络中,BP算法可能是性能最好、应用最广泛的算法之一了。其核心思想是:导入训练样本、计算期望值和实际值之间的差值,不断地调整权重,使得误差减少的规定值的范围内。其具体过程如下图:
一般来说,机器学习又分成浅层学习和深度学习。传统的机器学习算法,如SVM、贝叶斯、神经网络等都属于浅层模型,其特点是只有一个隐含层。逻辑简单易懂、但是其存在理论上缺乏深度、训练时间较长、参数很大程度上依赖经验和运气等问题。
如果是有多个隐含层的多层神经网络(一般定义为大于5层),那么我们将把这个模型称为深度学习,其往往也和分层训练配套使用。这也是目前AI最火的领域之一了。如果是浅层模型的问题在于对一个复杂函数的表示能力不够,特别是在复杂问题分类情况上容易出现分类不足的弊端,深度网络的优势则在于其多层的架构可以分层表示逻辑,这样就可以用简单的方法表示出复杂的问题,一个简单的例子是:
如果我们想计算sin(cos(log(exp(x)))),
那么深度学习则可分层表示为exp(x)—>log(x)—>cos(x)—>sin(x)
图像识别问题是物体识别的一个子问题,其鲁棒性往往是解决该类问题一个非常重要的指标,该指标是指分类结果对于传入数据中的一些转化和扭曲具有保持不变的特性。这些转化和扭曲具体主要包括了:
(1)噪音(2)尺度变化(3)旋转(4)光线变化(5)位移
该部分具体的内容,想要快速理解原理的话推荐看[知乎相关文章] ( https://www.hu.com/search?type=content&q=CNN ),
特别是其中有些高赞回答中都有很多动图和动画,非常有助于理解。
但核心而言,CNN的核心优势在于 共享权重 以及 感受野 ,减少了网络的参数,实现了更快的训练速度和同样预测结果下更少的训练样本,而且相对于人工方法,一般使用深度学习实现的CNN算法使用无监督学习,其也不需要手工提取特征。
CNN算法的过程给我的感觉,个人很像一个“擦玻璃”的过程。其技术主要包括了三个特性:局部感知、权重共享和池化。
CNN中的神经元主要分成了两种:
(a)用于特征提取的S元,它们一起组成了卷积层,用于对于图片中的每一个特征首先局部感知。其又包含很关键的阈值参数(控制输出对输入的反映敏感度)和感受野参数(决定了从输入层中提取多大的空间进行输入,可以简单理解为擦玻璃的抹布有多大)
(b)抗形变的C元,它们一起组成了池化层,也被称为欠采样或下采样。主要用于特征降维,压缩数据和参数的数量,减小过拟合,同时提高模型的容错性。
(c*)激活函数,及卷积层输出的结果要经过一次激励函数才会映射到池化层中,主要的激活函数有Sigmoid函数、Tanh函数、ReLU、Leaky ReLU、ELU、Maxout等。
也许你会抱有疑问,CNN算法和传统的BP算法等究竟有什么区别呢。这就会引出区域感受野的概念。在前面我们提到,一个全连接中,较高一层的每个神经元要对低层的每一个神经元负责,从而导致了过拟合和维度灾难的问题。但是有了区域感受野和,每个神经元只需要记录一个小区域,而高层会把这些信息综合起来,从而解决了全连接的问题。
了解区域感受野后,你也许会想,区域感受野的底层神经元具体是怎么聚合信息映射到上一层的神经元呢,这就要提到重要的卷积核的概念。这个过程非常像上面曾提到的“神经元与神经元的联系”一图,下面给大家一个很直观的理解。
上面的这个过程就被称为一个卷积核。在实际应用中,单特征不足以被系统学习分类,因此我们往往会使用多个滤波器,每个滤波器对应1个卷积核,也对应了一个不同的特征。比如:我们现在有一个人脸识别应用,我们使用一个卷积核提取出眼睛的特征,然后使用另一个卷积核提取出鼻子的特征,再用一个卷积核提取出嘴巴的特征,最后高层把这些信息聚合起来,就形成了分辨一个人与另一个人不同的判断特征。
现在我们已经有了区域感受野,也已经了解了卷积核的概念。但你会发现在实际应用中还是有问题:
给一个100 100的参数空间,假设我们的感受野大小是10 10,那么一共有squar(1000-10+1)个,即10的六次方个感受野。每个感受野中就有100个参数特征,及时每个感受野只对应一个卷积核,那么空间内也会有10的八次方个次数,,更何况我们常常使用很多个卷积核。巨大的参数要求我们还需要进一步减少权重参数,这就引出了权重共享的概念。
用一句话概括就是,对同一个特征图,每个感受野的卷积核是一样的,如这样操作后上例只需要100个参数。
池化是CNN技术的最后一个特性,其基本思想是: 一块区域有用的图像特征,在另一块相似的区域中很可能仍然有用。即我们通过卷积得到了大量的边缘EDGE数据,但往往相邻的边缘具有相似的特性,就好像我们已经得到了一个强边缘,再拥有大量相似的次边缘特征其实是没有太大增量价值的,因为这样会使得系统里充斥大量冗余信息消耗计算资源。 具体而言,池化层把语义上相似的特征合并起来,通过池化操作减少卷积层输出的特征向量,减少了参数,缓解了过拟合问题。常见的池化操作主要包括3种:
分别是最大值池化(保留了图像的纹理特征)、均值池化(保留了图像的整体特征)和随机值池化。该技术的弊端是容易过快减小数据尺寸,目前趋势是用其他方法代替池化的作用,比如胶囊网络推荐采用动态路由来代替传统池化方法,原因是池化会带来一定程度上表征的位移不变性,传统观点认为这是一个优势,但是胶囊网络的作者Hinton et al.认为图像中位置信息是应该保留的有价值信息,利用特别的聚类评分算法和动态路由的方式可以学习到更高级且灵活的表征,有望冲破目前卷积网络构架的瓶颈。
CNN总体来说是一种结构,其包含了多种网络模型结构,数目繁多的的网络模型结构决定了数据拟合能力和泛化能力的差异。其中的复杂性对用户的技术能力有较高的要求。此外,CNN仍然没有很好的解决过拟合问题和计算速度较慢的问题。
该部分的核心参考文献:
《深度学习在图像识别中的应用研究综述》郑远攀,李广阳,李晔.[J].计算机工程与应用,2019,55(12):20-36.
深度学习技术在计算机图像识别方面的领域应用研究是目前以及可预见的未来的主流趋势,在这里首先对深度学习的基本概念作一简介,其次对深度学习常用的结构模型进行概述说明,主要简述了深度信念网络(DBN)、卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)、生成式对抗网络(GAN)、胶囊网络(CapsNet)以及对各个深度模型的改进模型做一对比分析。
深度学习按照学习架构可分为生成架构、判别架构及混合架构。
其生成架构模型主要包括:
受限波尔兹曼机、自编码器、深层信念网络等。判别架构模型主要包括:深层前馈网络、卷积神经网络等。混合架构模型则是这两种架构的集合。深度学习按数据是否具有标签可分为非监督学习与监督学习。非监督学习方法主要包括:受限玻尔兹曼机、自动编码器、深层信念网络、深层玻尔兹曼机等。
监督学习方法主要包括:深层感知器、深层前馈网络、卷积神经网络、深层堆叠网络、循环神经网络等。大量实验研究表明,监督学习与非监督学习之间无明确的界限,如:深度信念网络在训练过程中既用到监督学习方法又涉及非监督学习方法。
[1]周彬. 多视图视觉检测关键技术及其应用研究[D].浙江大学,2019.
[2]郑远攀,李广阳,李晔.深度学习在图像识别中的应用研究综述[J].计算机工程与应用,2019,55(12):20-36.
[3]逄淑超. 深度学习在计算机视觉领域的若干关键技术研究[D].吉林大学,2017.
[4]段萌. 基于卷积神经网络的图像识别方法研究[D].郑州大学,2017.
[5]李彦冬. 基于卷积神经网络的计算机视觉关键技术研究[D].电子科技大学,2017.
[6]李卫. 深度学习在图像识别中的研究及应用[D].武汉理工大学,2014.
[7]许可. 卷积神经网络在图像识别上的应用的研究[D].浙江大学,2012.
[8]CSDN、知乎、机器之心、维基网络
C. CNN(卷积神经网络)、RNN(循环神经网络)、DNN(深度神经网络)的内部网络结构有什么区别
如下:
1、DNN:存在着一个问题——无法对时间序列上的变化进行建模。然而,样本出现的时间顺序对于自然语言处理、语音识别、手写体识别等应用非常重要。对了适应这种需求,就出现了另一种神经网络结构——循环神经网络RNN。
2、CNN:每层神经元的信号只能向上一层传播,样本的处理在各个时刻独立,因此又被称为前向神经网络。
3、RNN:神经元的输出可以在下一个时间戳直接作用到自身,即第i层神经元在m时刻的输入,除了(i-1)层神经元在该时刻的输出外,还包括其自身在(m-1)时刻的输出!
介绍
神经网络技术起源于上世纪五、六十年代,当时叫感知机(perceptron),拥有输入层、输出层和一个隐含层。输入的特征向量通过隐含层变换达到输出层,在输出层得到分类结果。早期感知机的推动者是Rosenblatt。
在实际应用中,所谓的深度神经网络DNN,往往融合了多种已知的结构,包括卷积层或是LSTM单元。
D. 卷积神经网络(CNN)和循环神经网络(RNN)有什么区别
简单来说,卷积神经网络和循环神经网络都是深度学习的重要框架。区别在哪里呢?区别就在循环层上。卷积神经网络没有时序性的概念,输入直接和输出挂钩;循环神经网络具有时序性,当前决策跟前一次决策有关。举个例子,进行手写数字识别的时候,我们并不在意前一个决策结果是什么,需要用卷积神经网络;而自然语言生成时,上一个词很大程度影响了下一个词,需要用循环神经网络。