【机器学习】长短时记忆网络（LSTM）

参考文献

https://github.com/NLP-LOVE/ML-NLP/tree/master/Deep%20Learning/12.2%20LSTM

大部分内容来自https://zybuluo.com/hanbingtao/note/581764，属于个人的学习笔记，侵权必删。

1. 基本概念

长短时记忆网络(Long Short Term Memory Network, LSTM)，它成功的解决了原始循环神经网络的缺陷，成为当前最流行的RNN，在语音识别、图片描述、自然语言处理等许多领域中成功应用。

原始RNN无法处理长距离依赖，原始RNN的隐藏层只有一个状态，即h，它对于短期的输入非常敏感。

长短时记忆网络在RNN的基础上再增加一个状态c，让它来保存长期的状态。

新增加的状态c，称为单元状态(cell state)。我们把上图按照时间维度展开：

我们可以看出，在t时刻，LSTM的输入有三个：当前时刻网络的输入值$x_t$、上一时刻LSTM的输出值$h_{t-1}$、以及上一时刻的单元状态$c_{t-1}$；

LSTM的输出有两个：当前时刻LSTM输出值$h_t$、和当前时刻的单元状态$c_t$。注意$x$、$h$、$c$都是向量，如无特别说明，下文x,h,c不带下标时均表示向量。

LSTM的关键，就是怎样控制长期状态c。在这里，LSTM的思路是使用三个控制开关。

• 第一个开关，负责控制继续保存长期状态c；

• 第二个开关，负责控制把即时状态输入到长期状态c；

• 第三个开关，负责控制是否把长期状态c作为当前的LSTM的输出。三个开关的作用如下图所示：

接下来，我们要描述一下，输出h和单元状态c的具体计算方法。

2. 长短时记忆网络的前向计算

2.1 门

前文描述的开关在算法实现中使用门（gate）。门实际上是一层全连接层，它的输入是一个向量，输出是一个[0,1]的实数向量(一般使用sigmoid函数）。

假设W是门的权重向量，b是偏置项，那么门可以表示为：

门的使用，就是用门的输出向量按元素乘以我们需要控制的那个向量。

因为门的输出是0到1之间的实数向量，那么，当门输出为0时，任何向量与之相乘都会得到0向量，这就相当于啥都不能通过；输出为1时，任何向量与之相乘都不会有任何改变，这就相当于啥都可以通过。因为$\sigma$的值域是(0,1)，所以门的状态都是半开半闭的。

LSTM用两个门来控制单元状态c的内容：

• 遗忘门（forget gate），决定上一时刻的单元状态$c_{t-1}$有多少保留到当前时刻$c_t$；
• 输入门（input gate），决定了当前时刻网络的输入$x_t$有多少保存到单元状态$c_t$。

LSTM用输出门（output gate）来控制单元状态$c_t$有多少输出到LSTM的当前输出值$h_t$。

2.2 遗忘门

上式中，$W_f$是遗忘门的权重矩阵，$[h_{t-1},x_t]$表示把两个向量连接成一个更长的向量，$b_f$是遗忘门的偏置项，$\sigma$是sigmoid函数。如果输入的维度是$d_x$，隐藏层的维度是$d_h$，单元状态的维度是$d_c$（通常$d_h=d_c$），则遗忘门的权重矩阵维度是$d_c\times (d_h+d_x)$。

事实上，权重矩阵都是两个矩阵拼接而成的：一个是$W_{fh}$，它对应着输入项$h_{t-1}$，其维度为$d_c\times d_h$；一个是$W_{fx}$，它对应着输入项$x_t$，其维度为$d_c\times d_x$。$W_f$可以写为：

2.3 输入门

上式中，$W_i$是输入门的权重矩阵，$b_i$是输入门的偏置项。下图表示了输入门的计算：

接下来，我们计算用于描述当前输入的单元状态${\tilde{c}}_t$，它是根据上一次的输出和本次输入来计算的：

现在，我们计算当前时刻的单元状态$c_t$。它是由上一次的单元状态$c_{t-1}$按元素乘以遗忘门$f_t$，再用当前输入的单元状态${\tilde{c}}_t$按元素乘以输入门$i_t$，再将两个积加和产生的：

符号o表示按元素乘。下图是$c_t$的计算：

这样，我们就把LSTM关于当前的记忆${\tilde{c}}_t$和长期的记忆$c_{t-1}$组合在一起，形成了新的单元状态$c_t$。由于遗忘门的控制，它可以保存很久很久之前的信息，由于输入门的控制，它又可以避免当前无关紧要的内容进入记忆。

2.4 输出门

下面，我们要看看输出门，它控制了长期记忆对当前输出的影响：

LSTM最终的输出，是由输出门和单元状态共同确定的：

下图表示LSTM最终输出的计算：

式1到式6就是LSTM前向计算的全部公式。至此，我们就把LSTM前向计算讲完了。

3. 长短时记忆网络的训练

3.1 LSTM训练算法框架

LSTM的训练算法仍然是反向传播算法，对于这个算法，我们已经非常熟悉了。主要有下面三个步骤：

• 前向计算每个神经元的输出值，对于LSTM来说，即$f_t$、$i_t$、$c_t$、$o_t$、$h_t$五个向量的值。
• 反向计算每个神经元的误差项值。与循环神经网络一样，LSTM误差项的反向传播也是包括两个方向：一个是沿时间的反向传播，即从当前t时刻开始，计算每个时刻的误差项；一个是将误差项向上一层传播。
• 根据相应的误差项，计算每个权重的梯度。

3.2 关于公式和符号的说明

设定gate的激活函数为sigmoid函数，输出的激活函数为tanh函数。他们的导数分别为：

从上面可以看出，sigmoid和tanh函数的导数都是原函数的函数。这样，我们一旦计算原函数的值，就可以用它来计算出导数的值。

LSTM需要学习的参数共有8组，分别是：遗忘门的权重矩阵和偏置项、输入门的权重矩阵和偏置项、输出门的权重矩阵和偏置项，以及计算单元状态的权重矩阵和偏置项。

因为权重矩阵的两部分在反向传播中使用不同的公式，因此在后续的推导中，权重矩阵$W_f$、$W_i$、$W_c$、$W_o$都将被写为分开的两个矩阵：$W_{fh}$、$W_{fx}$、$W_{ih}$、$W_{ix}$、$W_{oh}$、$W_{ox}$、$W_{ch}$、$W_{cx}$。

我们解释一下按元素乘o符号。当o作用于两个向量时，运算如下：

当o作用于一个向量和一个矩阵时，运算如下：

当o作用于两个矩阵时，两个矩阵对应位置的元素相乘。按元素乘可以在某些情况下简化矩阵和向量运算。例如，当一个对角矩阵右乘一个矩阵时，相当于用对角矩阵的对角线组成的向量按元素乘那个矩阵：

当一个行向量右乘一个对角矩阵时，相当于这个行向量按元素乘那个矩阵对角线组成的向量：

在t时刻，LSTM的输出值为$h_t$。我们定义t时刻的误差项${\sigma }_t$为：

注意，这里假设误差项是损失函数对输出值的导数，而不是对加权输入$ne{t}_t^l$的导数。因为LSTM有四个加权输入，分别对应$f_t$、$i_t$、$c_t$、$o_t$，我们希望往上一层传递一个误差项而不是四个。但我们仍然需要定义出这四个加权输入，以及他们对应的误差项。

3.3 误差项沿时间的反向传递

沿时间反向传递误差项，就是要计算出t-1时刻的误差项${\sigma }_{t-1}$

显然，$o_t$、$f_t$、$i_t$、${\tilde{c}}_t$都是的函数，那么，利用全导数公式可得
：

下面，我们要把式7中的每个偏导数都求出来。根据式6，我们可以求出：

根据式4，我们可以求出：

将上述偏导数带入到式7，我们得到：

式8到式12就是将误差沿时间反向传播一个时刻的公式。有了它，我们可以写出将误差项向前传递到任意k时刻的公式：

3.4 将误差项传递到上一层

我们假设当前为第l层，定义l-1层的误差项是误差函数对l-1层加权输入的导数，即：

本次LSTM的输入$x_t$由下面的公式计算：

上式中，$f^{l-1}$表示第l-1层的激活函数。

因为$ne{t}_{f,t}^l$、$ne{t}_{i,t}^l$、$ne{t}_{\bar{c},t}^l$、$ne{t}_{o,t}^l$都是$x_t$的函数，$x_t$又是$ne{t}_t^{l-1}$的函数，因此，要求出E对$ne{t}_t^{l-1}$的导数，就需要使用全导数公式：

式14就是将误差传递到上一层的公式。

3.5 权重梯度的计算

对于$W_f$、$W_i$、$W_c$、$W_o$的权重梯度，我们知道它的梯度是各个时刻梯度之和，我们首先求出它们在t时刻的梯度，然后再求出他们最终的梯度。

以上就是LSTM的训练算法的全部公式。

4. GRU

这部分可参考博客。

GRU对LSTM做了两个大改动：

• 将输入门、遗忘门、输出门变为两个门：更新门（Update Gate）$z_t$和重置门（Reset Gate）$r_t$。
• 将单元状态与输出合并为一个状态：h。

GRU的前向计算公式为：

下图是GRU的示意图：

4.1 LSTM与GRU的区别

LSTM与GRU二者结构十分相似，不同在于：

• 新的记忆都是根据之前状态及输入进行计算，但是GRU中有一个重置门控制之前状态的进入量，而在LSTM里没有类似门；
• 产生新的状态方式不同，LSTM有两个不同的门，分别是遗忘门(forget gate)和输入门(input gate)，而GRU只有一种更新门(update gate)；
• LSTM对新产生的状态可以通过输出门(output gate)进行调节，而GRU对输出无任何调节。
• GRU的优点是这是个更加简单的模型，所以更容易创建一个更大的网络，而且它只有两个门，在计算性上也运行得更快，然后它可以扩大模型的规模。
• LSTM更加强大和灵活，因为它有三个门而不是两个。