本篇介紹在NLP中應用最為廣泛的特征抽取模型LSTM。詳細介紹LSTM提出的由來及其模型結構，并由此分析了LSTM能夠解決RNN不能夠對長序列進行處理和訓練的原因。

作者&編輯 | 小Dream哥

上周介紹了RNN模型結構及其反向傳播和正向傳播機制。文末提到了RNN會出現梯度消失等問題，使得訓練變得困難，但因為篇幅限制，沒有介紹其具體的原因，后面小Dream哥在有三AI-NLP知識星球里詳細介紹了這一方面的內容，感興趣的同學可以移步如下鏈接：

RNN梯度消失原因詳解：https://t.zsxq.com/7qzRBeE

那好，既然RNN有這樣的問題，該怎么解決呢？我們今天的主角LSTM(Long Short-Term Memory)就該登場了。

1 LSTM的提出

在LSTM提出之前，RNN的訓練基于BPTT(Back-Propagation Through Time)或者RTRL(Real Time Recurrent Learning)。通過這兩種方式對RNN進行訓練時，當誤差在序列內進行傳播時，會出現梯度消失或者爆炸的情況。

當出現梯度消失時，在訓練時，權重會出現搖擺和震蕩；梯度消失使得訓練會耗費大量的時間，甚至干脆就停滯。

基于這樣的情況，兩位大神Sepp Hochreiter和Jürgen Schmidhuber提出了LSTM：

Hochreiter, S, and J. Schmidhuber. "Long short-term memory." Neural Computation 9.8(1997):1735-1780.

我們先回顧一下RNN的誤差傳遞公式：

一個很簡單的想法，如果誤差在不同時刻相互連接的RNN單元之間，傳遞的是一個常量，即令下式是一個常量。其中f為激活函數。

這樣，梯度消失或者爆炸的問題是不是就可以解決了？

因此，Sepp Hochreiter和Jürgen Schmidhuber提出了CEC(Constant Error Carrousel)，這也是LSTM的核心特點。

所謂CEC，就是令

Sepp Hochreiter和Jürgen Schmidhuber指出可以選擇恒等函數作為激活函數，并且令w_j,j=1便可滿足上式，保證梯度在誤差隨時間傳遞之后不至于出現梯度消失或者梯度爆炸。這個想法很簡單和樸素，因此Sepp Hochreiter和Jürgen Schmidhuber稱之為Naive Approach。

但是對RNN僅僅是做這樣的修改也還會有一些問題，不管是輸入權重還是輸出權重，在更新都既要考慮“記住”前面時刻的內容；又要考慮不要讓前面時刻的內容干擾到當前時刻的輸入，這種矛盾會使訓練變得困難。因此兩位大神針對這個問題，設計新的模型結構，下面介紹LSTM的模型結構。

2 LSTM的結構

現在網絡上講LSTM結構的文章，實在是太多了，小Dream哥本來是不想再講的。出于文章完整性和系統性的考慮，這里還是將LSTM的模型結構和前向傳播過程列一下。

可以看到LSTM的結構要比RNN的復雜的多，其主要是增加了細胞狀態和3個門結構?？瓷先ケ容^復雜，同學們先不要著急，下面我們一步一步來講一講LSTM的結構。

如上圖，細胞狀態C_t橫向穿過，看起來像一條傳送帶，只是經過了少量的線性變化，因此狀態容易保持下來。

上圖是LSTM的第一個門，遺忘門。這個門根據輸入信息(h_t-1和x_t)決定要忘記細胞狀態C_t-1的哪些部分。

接下來是信息更新門，決定了細胞狀態C_t，它分為兩個部分。

第一步，根據輸入信息，用tanh產生該時刻需要更新到細胞狀態中的內容；用sigmoid函數產生更新的比例。

第二步，將需要更新的內容更新到細胞狀態中去，生成C_t。

最后，是輸出門。根據新的細胞狀態和輸入信息，產生新的輸出h_t。

上面大致介紹了LSTM的結構，及其前向傳播過程，圖片來自：

http://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/

這里先總結一下，LSTM在原本RNN的基礎上增加了CEC的內容，CEC保證了誤差以常數的形式在網絡中流動，這部分通過引入細胞狀態C來體現。并且，為了解決輸入和輸出在參數更新時的矛盾，在CEC的基礎上添加3個門使得模型變成非線性的，就可以調整不同時序的輸出對模型后續動作的影響。

3?LSTM局限性

LSTM提出之后，在語音處理、機器翻譯、實體識別等NLP領域迅速取得很好的效果，在工業界獲得很好的應用。但其也有一定的局限性，下面我們做一下介紹。

(1) 相較于RNN，LSTM的網絡結構復雜很多，因為引入了更多的權重參數，這增加了計算的復雜度。

(2) 不管是RNN，還是它的衍生LSTM等，都需要隨著時間推移進行順序處理。因此對于輸入序列的處理效率很低。

(3) 特征提取能力不強，t時刻的輸入不能提取到t時刻之后序列信息的內容。這點在transformer出來之后，體現的尤為明顯。

總結

上文詳細講述了LSTM提出的由來，大致介紹了其模型結構，由此分析了其能夠解決RNN無法訓練的問題。最后，介紹了LSTM的局限性。

LSTM是一個應用廣泛的模型，但隨著Attention機制的提出，transfomer開始作為一種更為強大的特征抽取模型，開始橫掃各大NLP任務的榜單。不出意外，transformer將會取代RNN及其衍生(LSTM GRU)模型，成為NLP中，最受歡迎、最為強大的特征抽取模型。

下期預告：Attention及transformer介紹

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(1) 聊天機器人?？紤]到聊天機器人是一個非常復雜的NLP應用場景，幾乎涵蓋了所有的NLP任務及應用。所以小Dream哥計劃以聊天機器人作為切入點，通過介紹聊天機器人的原理和實踐，逐步系統的更新到大部分NLP的知識，會包括語義匹配，文本分類，意圖識別，語義匹配命名實體識別、對話管理以及分詞等。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的【NLP】 NLP中应用最广泛的特征抽取模型-LSTM的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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