ElemedexEnciclopedia de bolsillo de arquitecturas de IA
N.º 012

Red recurrente simple (Elman)

SRN, Elman network

Memoria de contexto

Tiene memoria de pez: en cada paso solo recuerda una copia de lo que pensaba un instante antes. Aun así, escuchando oraciones de juguete descubrió por su cuenta que hay sustantivos y verbos, y que los dragones comen personas. Los lingüistas lo adoptaron enseguida.

Altura
1 oculta (150 unidades) + 150 de contexto
Peso
≈ 130 kB (fp32)
Parámetros
≈ 32 k (simulación léxica)
Contexto
1 paso copiado; memoria efectiva: pocas palabras
Datos de entrenamiento
≈ 27 500 palabras sintéticas, 29 tipos (10 000 oraciones)
Año
1990
Generación
2 · Aprendizaje automático clásico
Creadores
Jeffrey L. Elman (UC San Diego)
Clase
Arquitectura

Estadísticas base

Total
121

Escalas ordinales y aproximadas, pensadas para comparar especies entre sí; los números duros están en la ficha.

Debilidades

  • Memoria corta: el gradiente que se desvanece le impide aprender dependencias lejanas.
  • Se probó sobre todo con corpus de juguete (29 palabras, oraciones de dos o tres).
  • Procesa de a un paso: no se puede paralelizar el entrenamiento a lo largo de la secuencia.
  • Sus categorías se vieron promediando estados, técnica que puede crear artefactos (lo advirtió el propio Elman).

Hábitat

Creció en corpus sintéticos: miles de oraciones breves armadas por un programa con un léxico mínimo. Hoy se lo encuentra en cursos de ciencia cognitiva y en la genealogía de casi todo modelo de secuencias; el modelo de lenguaje RNNLM de Mikolov et al. (2010) se presentaba explícitamente como una red de Elman.

Movimientos

Habilidades

Unidades de contexto
Un banco de unidades que guarda una copia exacta del estado oculto del paso anterior y lo devuelve como entrada adicional.
Tiempo implícito
El tiempo no se codifica como una dimensión espacial de la entrada, sino por el efecto que deja en el procesamiento.
Representaciones en contexto
Cada estado oculto representa una palabra junto con lo que vino antes: la misma palabra deja huellas distintas en contextos distintos.

Anatomía

La red simple recurrente de Elman (1990), con las medidas de la simulación léxica: en cada paso, la capa oculta recibe la palabra actual y una copia de su propio estado anterior. La copia no se entrena; sí los pesos que entran y salen de la capa oculta.

Cadena evolutiva

012 Red recurrente simple (Elman)
  • compuertas y una celda de memoria protegida015 LSTM

La red simple recurrente de Jeffrey Elman es una red neuronal que lee una secuencia de a un elemento por vez y que, en cada paso, recibe además una copia de su propio estado anterior. Con ese truco mínimo (un bucle) el tiempo deja de ser una dimensión espacial de la entrada y queda representado implícitamente, por el efecto que tiene sobre el procesamiento (Elman, 1990, pp. 180–182).

Cómo funciona

La arquitectura parte de un perceptrón multicapa con una capa oculta y le agrega un banco de unidades de contexto, tantas como unidades ocultas. En el instante t, la capa oculta recibe la entrada actual y el contenido de las unidades de contexto, que es exactamente el estado oculto del instante t − 1. Las conexiones de copia valen 1 y no se entrenan; los demás pesos se ajustan con retropropagación común (Elman, 1990, pp. 182–183). La idea venía de una red de Michael I. Jordan (1986), el científico cognitivo y no el basquetbolista, que realimentaba la salida en lugar del estado oculto.

Chollet describe cualquier red recurrente como un bucle que reutiliza en cada iteración lo que calculó en la anterior (Chollet, 2021, sec. 10.3); la de Elman es la versión más austera de esa recurrencia. Como los mismos pesos se aplican en cada paso, la red procesa secuencias de cualquier longitud con un número fijo de parámetros.

Qué encontró

El artículo se volvió un clásico por sus simulaciones, todas con la misma tarea: predecir el elemento siguiente.

  • Palabras sin espacios. Con un flujo de letras sin separadores, el error de predicción subía al comienzo de cada palabra y bajaba a medida que la palabra se volvía predecible: los picos de error marcaban las fronteras léxicas, aunque de manera graduada y con ambigüedades (Elman, 1990, pp. 191–193).
  • Categorías léxicas. Un generador produjo 10.000 oraciones de dos o tres palabras con 29 palabras distintas, codificadas como vectores ortogonales que no decían nada sobre su clase. Una red con 150 unidades ocultas aprendió a predecir la palabra siguiente; después Elman promedió los estados ocultos de cada palabra y los sometió a un agrupamiento jerárquico. El árbol separaba verbos de sustantivos, transitivos de intransitivos, animados de inanimados, humanos de animales y comestibles de rompibles (Elman, 1990, pp. 195–200).
  • Una palabra nueva. Si en el corpus se reemplazaba man por una palabra inventada, zog, la red, sin aprender nada más, le asignaba una representación ubicada donde había estado man (Elman, 1990, p. 201).

Elman subrayaba que esas categorías eran blandas e implícitas: regiones de un espacio, no símbolos con nombre. Y como cada estado oculto representa una palabra en contexto, la red ofrece una manera de distinguir entre tipos y ejemplares (type/token) (Elman, 1990, pp. 200–203). Él mismo anotó una advertencia: promediar estados puede producir agrupamientos artificiales, así que conviene verificarlos con ejemplares individuales (1990, p. 199, n. 6).

Límites

La memoria es corta. En la red original el error no viaja hacia atrás en el tiempo (la copia es fija), y cuando estas redes se entrenaron con retropropagación a través del tiempo apareció el gradiente que se desvanece: la señal de error se encoge o explota exponencialmente con la distancia, y las dependencias largas se vuelven casi imposibles de aprender, como analizaron Hochreiter (1991) y Bengio et al. (1994) (Hochreiter y Schmidhuber, 1997, sec. 3). Por eso la estadística de contexto de esta ficha es baja. Además, leer de a un paso impide paralelizar el entrenamiento (Alammar y Grootendorst, 2024, p. 14).

Su descendencia es enorme: la LSTM le agregó compuertas; las redes recurrentes codificador–decodificador tradujeron textos antes del transformer (Alammar y Grootendorst, 2024, pp. 11–12); y arquitecturas recientes como RWKV o Mamba vuelven a apostar por la recurrencia (2024, p. 24).

Fuentes

  • Alammar, J., & Grootendorst, M. (2024). Hands-on large language models: Language understanding and generation. O’Reilly Media. §
  • Bengio, Y., Simard, P., & Frasconi, P. (1994). Learning long-term dependencies with gradient descent is difficult. IEEE Transactions on Neural Networks, 5(2), 157–166. https://doi.org/10.1109/72.279181 §
  • Buckner, C. J. (2024). From deep learning to rational machines: What the history of philosophy can teach us about the future of artificial intelligence. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780197653302.001.0001 §
  • Chollet, F. (2021). Deep learning with Python (2nd ed.). Manning Publications. §
  • Elman, J. L. (1990). Finding structure in time. Cognitive Science, 14(2), 179–211. https://doi.org/10.1207/s15516709cog1402_1 §
  • Fodor, J. A., & Pylyshyn, Z. W. (1988). Connectionism and cognitive architecture: A critical analysis. Cognition, 28(1–2), 3–71. https://doi.org/10.1016/0010-0277(88)90031-5 §
  • Hochreiter, S., & Schmidhuber, J. (1997). Long short-term memory. Neural Computation, 9(8), 1735–1780. https://doi.org/10.1162/neco.1997.9.8.1735 §
  • Mikolov, T., Karafiát, M., Burget, L., Černocký, J., & Khudanpur, S. (2010). Recurrent neural network based language model. In Interspeech 2010 (pp. 1045–1048). International Speech Communication Association. https://doi.org/10.21437/Interspeech.2010-343 §