LSTM介绍

说明

本项目包含：
1.LSTM简介，主体翻译自这个英文文章，稍微加了一些个人理解

LSTM介绍

长期短期记忆网络 - 通常简称为“LSTM” 是一种特殊的RNN，能够学习长期依赖关系。它们由Hochreiter&Schmidhuber（1997）引入，并在随后的工作中被许多人完善和推广.它们在各种各样的问题上工作的非常好，现在被广泛使用。

LSTM 被明确设计为避免长期依赖问题。长时间记住信息实际上是他们的默认行为，而不是他们努力学习的东西！

所有RNN都具有神经网络的链式重复模块。在标准RNN中，这个重复模块将具有非常简单的结构，例如单个tanh层。

LSTM也有类似的链式模块，但是这些模块有不同的结构，且并非是单个的神经网络层，而是四个以特殊方式相互作用的网络层。

下面是符号介绍

上图中，每条线代表一个完整的向量，从一个节点的输出到其他节点的输入
粉色的圆圈代表逐点运算，比如向量加法
黄色框代表被学习的神经网络层
两个向量聚合并表示拼接，而行分叉表示其内容被复制并且副本将转到不同的位置。

LSTM背后的核心思想

LSTM 的关键是单元状态，即贯穿图表顶部的水平线。
细胞状态有点像传送带。它直接沿着整个链条向下运行，只有一些轻微的线性相互作用。信息很容易原封不动地沿着它流动。
意思是信息经过一些简单的线性变换就可以输出。
如下图黑色线条所示:

LSTM能够通过“门”结构去删除或添加信息到细胞状态。
门是一种选择性地让信息通过的方式。它们由 sigmoid 神经网络层和逐点乘法运算组成。

sigmoid 层输出介于 0 和 1 之间的数字，描述每个组件应通过多少信息。值为0表示“不让任何信息通过”，而值为1表示“让所有信息都通过“

LSTM 具有三个这样的门结构，用于保护和控制单元状态。

分步骤拆解LSTM

第一步

LSTM 的第一步是决定我们要从细胞状态中丢弃哪些信息。
这个决定是由一个称为“遗忘门层”的sigmoid层做出的。它查看前一个输出$h_{t-1}$ 和当前输出 $x_t$，并为细胞状态 $C_{t-1}$中的每个数字输出一个介于 0 和 1 之间的数字。1 表示“完全保留”，而 0 表示“完全丢弃”。
即，分量输入被sigmoid压缩，如果该分量压缩后输出为0，就完全抛弃，为1就全部接收。这样就可以达到”遗忘“不重要信息，记住重要信息的效果

第二步

第二步决定我们将在单元格状态中存储哪些新信息。
首先，称为“输入门层”的 sigmoid 层决定我们将更新哪些值。
接下来，tanh 层创建一个新的候选值 $C_t$ 的向量，可以将其添加到状态中。
在下一步中，我们将结合这两者来创建状态更新。

简单来说，这一步
用tanh函数层将现在的向量中的有效信息提取出来，然后使用sigmoid函数层来控制这些记忆要放“多少”进入单元状态

第三步

第三步是将旧的细胞状态 $C_{t-1}$更新为新的细胞状态 $C_t$。
我们将旧状态乘以$f_t$，忘记了我们之前决定忘记的信息。然后我们添加$i_t\ast C_t$。这是新的候选值，按我们决定更新每个状态值的程度进行缩放。

其实这一步就是将上述的一二步作用结合起来

第四步

第四步，我们需要决定要输出什么。
首先，我们运行一个 sigmoid 层，它决定我们要输出细胞状态的哪些部分。
(输出层会先将当前输入值与上一时刻输出值整合后的向量用sigmoid函数提取其中的信息，即图中的$o_t$)
然后，我们将单元格状态通过tanh（将值推到−1和1之间）并将其乘以sigmoid门的输出，这样我们只输出我们决定的部分。
(将当前的单元状态通过tanh函数压缩，输出为$h_t$)

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