小白学深度之LSTM长短期记忆神经网络

前言

不知道RNN的一定要先看看RNN的原理

在RNN中我们说了RNN的不足，也就是对较长的时间，或者较长的string，很多时候前面的数据对后面的数据影响就很小甚至没影响了，这是我们就要加强前面的数据的权值；或者数据不是很长，但是最开始的数据对很往后的数据基本没啥影响，但RNN记住了，并对后面的数据产生了影响，这时我们就要往往要增大近期数据的权值。

在本文中，我们将介绍一种改进之后的循环神经网络：长短时记忆网络(Long Short Term Memory Network, LSTM)，它成功的解决了原始循环神经网络的缺陷，成为当前最流行的RNN，在语音识别、图片描述、自然语言处理等许多领域中成功应用。

但不幸的一面是，LSTM的结构很复杂，因此，我们需要花上一些力气，才能把LSTM以及它的训练算法弄明白。在搞清楚LSTM之后，我们再介绍一种LSTM的变体：GRU (Gated Recurrent Unit)。 它的结构比LSTM简单，而效果却和LSTM一样好，因此，它正在逐渐流行起来。最后，我们仍然会动手实现一个LSTM。

LSTM长短期记忆神经网络

网络结构

首先我们可以看下普通RNN和LSTM两种网络的区别：

RNN

传统RNN每个模块内只是一个简单的tanh层，这种简单的网络结构决定了他对短期记忆的效果不错，但对长期记忆效果就很不好。

LSTM

与RNN 结构相似，但是重复的模块拥有一个不同的结构。不同于单一神经网络层，这里是有四个，以一种非常特殊的方式进行交互。下面我们具体来看这种结构。

这是图标的含义。

这里我们可以看到一共有四个函数，其中三个sigm代表三个sigmiod函数，还有一个hanh函数。
$\bigotimes$可以理解为乘法操作，若结果为1，则门完全打开，若结果为零，则完全闭合， $\bigoplus$可以理解为加法，打开闭合原理一样。
LSTM很重要的一点就是引入了门，主要是通过一个 sigmoid 的神经层和一个逐点相乘的操作来实现的，是一种让信息选择式通过的方法 ，即选择性记忆和选择性遗忘。

门的输出是 0到1 之间的实数向量，当门输出为 0 时，任何向量与之相乘都会得到 0 向量，这就相当于什么都不能通过；输出为 1 时，任何向量与之相乘都不会有任何改变，这就相当于什么都可以通过。

实现原理

LSTM核心思想

LSTM的关键在于细胞的状态整个(绿色的图表示的是一个cell)，和穿过细胞的那条水平线。
细胞状态类似于传送带。直接在整个链上运行，遇到一个细胞就会与其交互，并不断更新。当然，这一个细胞的输出，下一个细胞的输入都与C密不可分。

若只有上面的那条水平线是没办法实现添加或者删除信息的。这里门就起作用了。

遗忘门层

在我们 LSTM 中的第一步是决定我们会从细胞状态中丢弃什么信息。这个决定通过一个称为忘记门层完成。
该门会读取上一层的输出 $h_{t−1}$ 和这一层的输入 $x_t$​，二者融合后经sigmoid函数与 $C_{t-1}$计算，输出一个在 0到 1之间的数值。1 表示“完全保留”，0 表示“完全舍弃”。
它决定了上一时刻的单元状态 $C_{t-1}$有多少保留到当前时刻 $C_t$

输入门层

这一层决定让多少新的信息加入到 cell 状态中来。实现这个需要包括两个步骤：首先，一个sigmoid 层决定哪些信息需要更新；一个 tanh 层生成一个向量，也就是备选的用来更新的内容， $C_t$。

再下一步，我们把这两部分联合起来与第一层输出的C进行交互，这样这个细胞的 $C_t$就更新完了。
这一层决定了当前时刻网络的输入 $x_t$ 有多少保存到单元状态 $C_t$

输出门层

最终，我们需要确定输出什么值。这个输出将会基于我们的细胞状态，同时也是一个过滤后的版本。首先，我们运行一个 sigmoid 层来确定细胞状态的哪个部分将输出出去。接着，我们把细胞状态 $C_t$通过 tanh 进行处理（得到一个在 -1 到 1 之间的值）并将它和 sigmoid 门的输出相乘，最终我们仅仅会输出我们确定输出的那部分。
这里 $h_t$一是作为结果输出，二是作为这一个细胞的输出，传递给下一个细胞。
控制单元状态 $C_t$有多少输出到 LSTM 的当前输出值 $h_t$