LSTM模型

目录

LSTM模型

LSTM结构图

LSTM的核心思想

细胞状态

遗忘门

输入门

输出门

RNN模型

 LRNN

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LSTM模型

什么是LSTM模型
LSTM (Long Short-Term Memory)也称长短时记忆结构,它是传统RNN的变体,与经典RNN相比能够有效捕捉长序列之间的语义关联,缓解梯度消失或爆炸现象.同时LSTM的结构更复杂,它的核心结构可以分为四个部分去解析:
●遗忘门
●输入门
●细胞状态
●输出门

LSTMs也具有这种链式结构，但是它的重复单元不同于标准RNN网络里的单元只有一个网络层，它的内部有四个网络层。LSTMs的结构如下图所示。

LSTM结构图

LSTM之所以能够解决RNN的长期依赖问题，是因为LSTM引入了门（gate）机制用于控制特征的流通和损失。可以做到在tn时刻提取到ti时刻的特征。

在解释LSTMs的详细结构时先定义一下图中各个符号的含义，符号包括下面几种：

每个黄色方框表示一个神经网络层，由权值，偏置以及激活函数组成；每个粉色圆圈表示元素级别操作；箭头表示向量流向；相交的箭头表示向量的拼接；分叉的箭头表示向量的复制。

LSTM的核心思想

相比于原始的RNN的隐层(hidden state)， LSTM增加了一个细胞状态(cell state)，我下面把lstm中间一个时刻t的输入输出标出来：

我们可以先把中间那一坨遮起来，看一下LSTM在t时刻的输入与输出，首先，输入有三个：细胞状态Ct-1，隐层状态ht-1,t时刻输入向量Xt，而输出有两个：细胞状态Ct，隐层状态ht，其中ht 还作为t时刻的输出。

细胞状态

LSTMs的核心是细胞状态，用贯穿细胞的水平线表示。细胞状态像传送带一样。它贯穿整个细胞却只有很少的分支，这样能保证信息不变的流过整个RNNs。细胞状态如下图所示：

LSTM网络能通过一种被称为门的结构对细胞状态进行删除或者添加信息。门能够有选择性的决定让哪些信息通过。其实门的结构很简单，就是一个sigmoid层和一个点乘操作的组合。如下图所示：

因为sigmoid层的输出是0-1的值，这代表有多少信息能够流过sigmoid层。0表示都不能通过，1表示都能通过。

前面提到LSTM由三个门来控制细胞状态，这三个门分别称为忘记门、输入门和输出门。下面一个一个的来讲述。

遗忘门

LSTM的第一步就是决定细胞状态需要丢弃哪些信息。这部分操作是通过一个称为忘记门的sigmoid单元来处理的。它通过查看Xt和ht-1信息来输出一个0-1之间的向量，该向量里面的0-1值表示细胞状态Ct-1中的哪些信息保留或丢弃多少。0表示不保留，1表示都保留。忘记门如下图所示。

首先说一下[ h t − 1 , x t ] 这个东西就代表把两个向量连接起来（操作与numpy.concatenate相同）

输入门

下一步是决定给细胞状态添加哪些新的信息。这一步又分为两个步骤，

首先，利用ht-1和Xt通过一个称为输入门的操作来决定更新哪些信息。然后利用ht-1和Xt通过一个tanh层得到新的候选细胞信息Ct~，这些信息可能会被更新到细胞信息中。这两步描述如下图所示。

下面将更新旧的细胞信息Ct-1，变为新的细胞信息Ct。更新的规则就是通过忘记门选择忘记旧细胞信息的一部分，通过输入门选择添加候选细胞信息Ct~的一部分得到新的细胞信息Ct。更新操作如下图所示

输出门

更新完细胞状态后需要根据输入的ht-1和Xt来判断输出细胞的哪些状态特征，这里需要将输入经过一个称为输出门的sigmoid层得到判断条件，然后将细胞状态经过tanh层得到一个-1~1之间值的向量，该向量与输出门得到的判断条件相乘就得到了最终该RNN单元的输出。该步骤如下图所示：

RNN模型

 LRNN

 

 

 

 

 

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