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RNN学习笔记3-LSTM

發布時間：2023/12/8 编程问答 51 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 RNN学习笔记3-LSTM 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

引入LSTM

盡管RNN被設計成可以利用歷史的信息來輔助當前的決策，但是由于在上節提到的梯度消失或者梯度爆炸問題，RNN主要還是學習短期的依賴關系。所以RNN新的技術挑戰就是-長期依賴。
長短時記憶網絡(Long Short Term Memory Network, LSTM)，是一種改進之后的循環神經網絡，可以解決RNN無法處理長距離的依賴的問題.
LSTM在一個整體的循環網絡結構中除了外部的RNN大循環，還要考慮自身單元“細胞”的自循環。

傳統RNN每個模塊內只是一個簡單的tanh層,LSTM每個循環的模塊內又有4層結構:3個sigmoid層，1個tanh層
其中圖標

粉色的圓圈表示一個二目運算。兩個箭頭匯合成一個箭頭表示2個向量首尾相連拼接在一起。一個箭頭分叉成2個箭頭表示一個數據被復制成2份，分發到不同的地方去。

LSTM內部結構

LSTM的關鍵是細胞狀態 $C$ ，一條水平線貫穿于圖形的上方，這條線上只有些少量的線性操作，信息在上面流傳很容易保持。如下圖

$C$ 控制參數，決定什么樣的信息要保留，什么樣的信息需要遺忘。–需要一直維護更新
怎么樣進行決策呢，就需要用到門：Gate
門：Gate:是一個使用sigmoid激活函數對輸入信息進行控制的結構。使用門可以對通過這個結構的輸入信息進行控制，使用激活函數后，全連神經網絡輸出一個0-1之間的數值。當sigmoid激活函數輸出為1時，門完全打開，全部信息可以通過；sigmoid激活函數輸出為0時，門完全閉合，任何信息無法通過。
第一層：遺忘門
根據當前的輸入、上一時刻的輸出和門的偏置項共同決定哪一部分記憶需要被遺忘。

$ft=σ(Wf?[ht?1,xt]+bf)f_t=\sigma(W_f\cdot[h_{t-1},x_t]+b_f)$
$Ct?1?ftC_{t-1}\bigodot f_t \quad \quad$ 決定需要遺忘哪些信息

第二層：記憶門
為了使循環神經網絡更有效的保存長期記憶，除了遺忘門，輸入門也發揮至關重要的作用。不僅需要忘記部分之前的記憶，還需要補充新的記憶，就需要輸入門來控制。

一個tanh層用來產生更新值的候選項 $C_t$ ，tanh的輸出在[-1,1]上，說明細胞狀態在某些維度上需要加強，在某些維度上需要減弱；還有一個sigmoid層（輸入門層），它的輸出值要乘到tanh層的輸出上，起到一個縮放的作用，極端情況下sigmoid輸出0說明相應維度上的細胞狀態不需要更新。
$it=σ(Wi?[ht?1,xt]+bi)i_t=\sigma(W_i\cdot[h_{t-1},x_t]+b_i)$
$Ct~=tanh(WC?[[ht?1,xt]+bC)\tilde{C_t}=tanh(W_C\cdot[[h_{t-1},x_t]+b_C)$

生成新的細胞狀態
讓舊的細胞狀態 $C_{t-1}與f_t$ （f是forget忘記門的意思）相乘來丟棄一部分信息，然后再加個需要更新的部分 $it?Ct~i_t * \tilde{C_t}$ (i是input輸入門的意思），這就生成了新的細胞狀態 $C_t$ 。

$Ct=ft?Ct?1+it?Ct~C_t=f_t*C_{t-1}+i_t*\tilde{C_t}$

輸出層
輸出值跟細胞狀態有關，把 $C_t$ 輸給一個tanh函數得到輸出值的候選項。候選項中的哪些部分最終會被輸出由一個sigmoid層來決定

$ot=σ(Wo[ht?1,xt],+bo)o_t=\sigma(W_o[h_{t-1},x_t],+b_o)$
$h_t=o_t*tanh(C_t)$

總結
$\qquad\;\;$ 輸入門： $it=σ(Wi?[ht?1,xt]+bi)i_t=\sigma(W_i\cdot[h_{t-1},x_t]+b_i)$
$\quad\quad\;\;$ 遺忘門： $ft=σ(Wf?[ht?1,xt]+bf)f_t=\sigma(W_f\cdot[h_{t-1},x_t]+b_f)$
$\quad\quad\;\;$ 輸出門： $ot=σ(Wo[ht?1,xt],+bo)o_t=\sigma(W_o[h_{t-1},x_t],+b_o)$

$\;\;\;$ 新記憶參數： $Ct~=tanh(WC?[[ht?1,xt]+bC)\tilde{C_t}=tanh(W_C\cdot[[h_{t-1},x_t]+b_C)$

最后記憶參數： $Ct=ft?Ct?1+it?Ct~C_t=f_t*C_{t-1}+i_t*\tilde{C_t}$

最終輸出狀態： $h_t=o_t*tanh(C_t)$

梯度消失問題

RNN 通過 $h_t$ 來保存和傳遞信息，之前分析了如果時間間隔較大容易產生梯度消失的問題。
LSTM 則通過記憶單元 $C_t$ 來傳遞信息，通過 $i_t$ 和 $f_t$ 的調控， $C_t$ 可以在 t 時刻捕捉到某個關鍵信息，并有能力將此關鍵信息保存一定的時間間隔。
如果沒有遺忘門， $Ct=Ct?1+it?Ct~C_t=C_{t-1}+i_t\bigodot\tilde{C_t}$ ，這樣的話 $?Ct?Ct?1\frac{\partial C_t}{\partial C_{t-1}}$ 恒為1，這樣 $C_t$ 會不斷增大，容易飽和，從而降低模型的性能。引入遺忘門后， $?Ct?Ct?1=ft\frac{\partial C_t}{\partial C_{t-1}}=f_t$ ，當然如果多個 $f_t$ 連乘同樣會導致梯度消失（ $ft∈[0,1]f_t\in[0,1]$ ）。但是LSTM的技巧就是將遺忘門的bias設置為正數，（例如 1 或者 5，如 tensorflow 中的默認值就是 1.0），這樣一來模型剛開始訓練時 forget gate 的值都接近 1，不會發生梯度消失 (反之若 forget gate 的初始值過小則意味著前一時刻的大部分信息都丟失了，這樣很難捕捉到長距離依賴關系)。隨著訓練過程的進行，forget gate 就不再恒為 1 了。不過，一個訓好的模型里各個 gate 值往往不是在 [0, 1] 這個區間里，而是要么 0 要么 1，很少有類似 0.5 這樣的中間值，其實相當于一個二元的開關。

假如在某個序列里，forget gate 全是 1，那么梯度不會消失；某一個 forget gate 是 0，模型選擇遺忘上一時刻的信息。

參考：
https://www.cnblogs.com/zhangchaoyang/articles/6684906.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/60915302

總結

以上是生活随笔為你收集整理的RNN学习笔记3-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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