LSTM - 长短期记忆网络

2021-02-08 本文已影响0人我是任玉琢

循环神经网络(RNN)

人们不是每一秒都从头开始思考，就像你阅读本文时，不会从头去重新学习一个文字，人类的思维是有持续性的。传统的卷积神经网络没有记忆，不能解决这一个问题，循环神经网络(Recurrent Neural Networks)可以解决这一个问题，在循环神经网络中，通过循环可以解决没有记忆的问题，如下图：

RNN-rolled

看到这里，你可能还是不理解为什循环神经网络就可以有记忆。我们把这个图展开：

RNN-unrolled

可以看出，我们输入 $X_0$ 后，首先警告训练，得到输出 $h_0$ ，同时会把这个输出传递给下一次训练 $X_1$ ，普通的神经网络是不会这样做的，这时对 $X_1$ 进行训练时，输入就包括了 $X_1$ 本身和训练 $X_0$ 的输出，前面的训练对后面有印象，同样的道理，之后的每一次训练都收到了前面的输出的影响(对 $X_1$ 训练的输出传递给训练 $X_2$ 的过程， $X_0$ 对 $X_2$ 的影响是间接的)。

遇到的问题

循环神经网络很好用，但是还有一些问题，主要体现在没办法进行长期记忆。我们可以想象(也有论文证明)，前期的某一次输入，在较长的链路上传递时，对后面的影响越来越小，相当于网络有一定的记忆能力，但是记忆力只有 7 秒，很快就忘记了，如下图 $X_0$ 和 $X_1$ 对 $h_{t+1}$ 的影响就比较小了（理论上通过调整参数避免这个问题，但是寻找这个参数太难了，实践中不好应用，因此可以近似认为不可行），LSTM 的提出就是为了解决这个问题的。

RNN-longtermdependencies

LSTM

LSTM(Long Short Term Memory)本质还是一种 RNN，只不过其中的那个循环，上图中的那个 A被重新设计了，目的就是为了解决记忆时间不够长的问题，其他神经网络努力调整参数为的是使记忆力更好一点，结果 LSTM 天生过目不忘，简直降维打击！

普通的 RNN 中的 A 如下图，前一次的输入和本次的输入，进行一次运算，图中用的是 tanh：

LSTM3-SimpleRNN

相比较起来，LSTM 中的 A 就显得复杂了好多，不是上图单一的神经网络层，而是有四层，如下图，并且似乎这么看还有点看不懂，这就是本文需要重点分析的内容，仔细认真读下去，定会有收获：

LSTM3-chain

定义一些图形的含义，黄色方框是简单的神经网络层；粉色的代表逐点操作，如加法乘法；还有合并和分开(拷贝)操作：

LSTM2-notation

核心思想

首先看下图高亮部分，前一次的输出，可以几乎没有阻碍的一直沿着这条高速公路流动，多么简单朴素的思想，既然希望前面的训练不被遗忘，那就一直传递下去：

LSTM3-C-line

当然，为了让这种传递更加有意义，需要加入一些门的控制，这种门具有选择性，可以完全通过，可以完全不通过，可以部分通过，S 函数(Sigmoid)可以达到这样的目的，下面这样就是一个简单的门：

LSTM3-gate

总结一下，我们构造 LSTM 网络，这个网络有能力让前面的数据传递到最后，网络具有长期记忆的能力，同时也有门的控制，及时舍弃那些无用的记忆。

详细分析

有了这样的核心思想，再看这个网络就简单了好多，从左到右第一层是“选择性忘记”。我们根据前一次的输出和本次的输入，通过 Sigmoid 判断出前一次哪些记忆需要保留和忘记：

LSTM3-focus-f

第二部分又分为了两个部分，一个部分是“输入门层”，用 Sigmoid 决定哪些信息需要进行更新，另一个部分是创建候选值向量，即本次输入和上次输出进行初步计算后的中间状态：

LSTM3-focus-i

经过前面的计算，我们可以更新单元格的状态了。第一步，前一个的单元格哪些数据需要传递，哪些数据需要忘记；第二步，本次的哪些数据需要更新，乘以本次计算的中间状态可以得到本次的更新数据；再把前两步的数据相加，就是新的单元格状态，可以继续向后传递。

LSTM3-focus-C

这一步需要决定我们的输出：第一步，我们用 Sigmoid 来判断我们需要输出的部分；第二步，把上面计算得到的单元格状态通过 tanh 计算将数据整理到 -1 到 1 的区间内；第三步，把第一步和第二步的数据相乘，就得到了最后的输出：

LSTM3-focus-o

总结一下我们刚刚做了什么：我们首先通过本次的输入和上次的输出，判断出上次单元格状态有哪些数据需要保留或舍弃，再根据本次的输入进行网络训练，进一步得到本次训练的单元格状态和输出，并将单元格状态和本次的输出继续往后传递。

这里有一个疑问，为什么需要舍弃？举个例子，翻译一篇文章，一篇文章前一段介绍某一个人的详细信息和背景，下一段介绍今天发生的某个故事，两者的关系是弱耦合的，需要及时舍弃前面对人背景信息的记忆，才会更好的翻译下面的故事。

其他一些基于 LSTM 修改版的网络，本质是一样的，只不过把某些地方打通了，有论文验证过，一般情况下对训练的结果影响很小，这里不展开介绍，大同小异，修内功而不是那些奇奇怪怪的招式：

LSTM3-var-peepholes

LSTM3-var-tied

LSTM3-var-GRU

总结

本文介绍了长短期记忆网络，在大多数情况下，若在某个领域用 RNN 取得了比较好的效果，其很可能就是使用的 LSTM。这是一篇好文，本文图片来自Understanding-LSTMs，值得一读。

本文首发自: RAIS