深度学习-RNN LSTM BI-LSTM

RNN 循环神经网络
RNN主要处理有时序关系的变长序列问题。每个神经元在每一时刻都一个特殊的hidden状态h(t)，由当前节点的输入I(t)和上一时刻t-1隐藏状态h(t-1)加权求和后经过一个非线性激活函数得到，具体表示成公式如下：

每个神经元t时刻隐状态

参数Whh决定了当前神经元以多少比例接受之前所有时刻[0,t-1]的输入信息

阻碍RNN发展的两个严重问题是：梯度爆炸 和 梯度消失、

RNN的对隐状态h(0)进行反向传播：

利用RNN时序上的依赖关系对上式进行展开，得到（注意，下式成立的前提是激活函数简化为线性函数）：

继续对进行矩阵奇异值分解（SVD）：

因此最后要计算的目标为：

如果时间序列较长，的奇异值如果>1，t个连乘后会非常大，反之则会非常小

基于RNN的这个缺点，引入了LSTM

LSTM (Long-Short-Term-Memory)
LSTM相比RNN其实就是多了一个门(gate)机制和细胞记忆单元(cell-state)用来存储，用来记录信息。


复杂版的LSTM神经元机制
LSTM的化简过程
第一次化简

LSTM中有三个门控单元，，因为三者的计算方法都相同，区别只是使用了不同的权重矩阵以便反向传播时对三个门独立更新，因此可以不再特别考虑它们。

输入门、遗忘门、输出门
第二次化简

LSTM对各维度特征的门控单元也是独立更新的，为了简化表示，可以只考虑一维的情况。从一维推广到多维是很直观的。化简到一维后，最初的公式中向量内积可以转化成数和向量的乘积。

化简后的cell_state
第三次化简

三个门控单元经过sigmoid变化归一化到了[0,1]区间，因此可以看成是二值输出[0,1]，也就是说门控单元可以看成是控制信息流通的开关。

sigmoid函数
用一张图表示

LSTM中的cell_state其实就相当于RNN中的隐藏神经元。为了方便用图表示，调整一下第二次化简中公式的顺序：


化简后的LSTM遗忘机制
由上图可以看出，当时，LSTM退化为RNN

各个控制单元的作用

输出门：用于保存中对有用的信息

输入门：用于判断当前输入是否对context有作用，当时，使用作为输入

遗忘门：用于判断当前cell_state对上一个cell_sate的依赖程度,当前输入如果依赖上文信息，关闭遗忘门即可。

细胞状态：它包含了当前输入和上一时刻细胞状态的信息，并且由于和之间是“短路连接”（由公式可以看出两者之间是线性关系），因此反向传播时，的梯度可以直接传播给，这也是LSTM能够有效缓解RNN中梯度消失和梯度爆炸的关键。

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