经典的RNN结构如下图所示:
假设我们的时间序列只有三段, 为给定值,神经元没有激活函数,则RNN最简单的前向传播过程如下:
假设在t=3时刻,损失函数为 。
则对于一次训练任务的损失函数为 ,即每一时刻损失值的累加。
使用随机梯度下降法训练RNN其实就是对 、 、 以及 求偏导,并不断调整它们以使L尽可能达到最小的过程。
现在假设我们我们的时间序列只有三段,t1,t2,t3。
我们只对t3时刻的 求偏导(其他时刻类似):
可以看出对于 求偏导并没有长期依赖,但是对于 求偏导,会随着时间序列产生长期依赖。因为 随着时间序列向前传播,而 又是 的函数。
根据上述求偏导的过程,我们可以得出任意时刻对 求偏导的公式:
任意时刻对 求偏导的公式同上。
如果加上激活函数, ,
则 =
激活函数tanh和它的导数图像如下。
由上图可以看出 ,对于训练过程大部分情况下tanh的导数是小于1的,因为很少情况下会出现 ,如果 也是一个大于0小于1的值,则当t很大时 ,就会趋近于0,和 趋近与0是一个道理。同理当 很大时 就会趋近于无穷,这就是RNN中梯度消失和爆炸的原因。
至于怎么避免这种现象,让我在看看 梯度消失和爆炸的根本原因就是 这一坨,要消除这种情况就需要把这一坨在求偏导的过程中去掉,至于怎么去掉,一种办法就是使 另一种办法就是使 。其实这就是LSTM做的事情。
转载:https://zhuanlan.zhihu.com/p/28687529
先上一张LSTM的经典图:
至于这张图的详细介绍请参考:Understanding LSTM Networks
下面假设你已经阅读过Understanding LSTM Networks这篇文章了,并且了解了LSTM的组成结构。
RNN梯度消失和爆炸的原因这篇文章中提到的RNN结构可以抽象成下面这幅图:
而LSTM可以抽象成这样:
三个×分别代表的就是forget gate,input gate,output gate,而我认为LSTM最关键的就是forget gate这个部件。这三个gate是如何控制流入流出的呢,其实就是通过下面 三个函数来控制,因为 (代表sigmoid函数) 的值是介于0到1之间的,刚好用趋近于0时表示流入不能通过gate,趋近于1时表示流入可以通过gate。
当前的状态 类似与传统RNN 。将LSTM的状态表达式展开后得:
如果加上激活函数,
RNN梯度消失和爆炸的原因这篇文章中传统RNN求偏导的过程包含
对于LSTM同样也包含这样的一项,但是在LSTM中
假设 ,则 的函数图像如下图所示:
可以看到该函数值基本上不是0就是1。
再看看RNN梯度消失和爆炸的原因这篇文章中传统RNN的求偏导过程:
如果在LSTM中上式可能就会变成:
因为 ,这样就解决了传统RNN中梯度消失的问题。
转载:https://zhuanlan.zhihu.com/p/28749444
LSTM 的关键就是细胞状态,水平线在图上方贯穿运行。
细胞状态类似于传送带。直接在整个链上运行,只有一些少量的线性交互。信息在上面流传保持不变会很容易。
Paste_Image.png
LSTM 有通过精心设计的称作为“门”的结构来去除或者增加信息到细胞状态的能力。门是一种让信息选择式通过的方法。他们包含一个 sigmoid 神经网络层和一个 pointwise 乘法操作。
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Sigmoid 层输出 0 到 1 之间的数值,描述每个部分有多少量可以通过。0 代表“不许任何量通过”,1 就指“允许任意量通过”!
LSTM 拥有三个门,来保护和控制细胞状态。
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 h_{t-1}
和 x_t
,输出一个在 0 到 1 之间的数值给每个在细胞状态 C_{t-1}
中的数字。1 表示“完全保留”,0 表示“完全舍弃”。
让我们回到语言模型的例子中来基于已经看到的预测下一个词。在这个问题中,细胞状态可能包含当前主语的性别,因此正确的代词可以被选择出来。当我们看到新的主语,我们希望忘记旧的主语。
决定丢弃信息
下一步是确定什么样的新信息被存放在细胞状态中。这里包含两个部分。第一,sigmoid 层称 “输入门层” 决定什么值我们将要更新。然后,一个 tanh 层创建一个新的候选值向量,\tilde{C}_t
,会被加入到状态中。下一步,我们会讲这两个信息来产生对状态的更新。
在我们语言模型的例子中,我们希望增加新的主语的性别到细胞状态中,来替代旧的需要忘记的主语。
确定更新的信息
现在是更新旧细胞状态的时间了,C_{t-1}
更新为 C_t
。前面的步骤已经决定了将会做什么,我们现在就是实际去完成。
我们把旧状态与 f_t
相乘,丢弃掉我们确定需要丢弃的信息。接着加上 i_t * \tilde{C}_t
。这就是新的候选值,根据我们决定更新每个状态的程度进行变化。
在语言模型的例子中,这就是我们实际根据前面确定的目标,丢弃旧代词的性别信息并添加新的信息的地方。
更新细胞状态
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,但是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。
在语言模型的例子中,因为他就看到了一个 代词,可能需要输出与一个 动词 相关的信息。例如,可能输出是否代词是单数还是负数,这样如果是动词的话,我们也知道动词需要进行的词形变化。
输出信息
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