长短期记忆网络（LSTM）
长短期记忆网络有三种类型的门：输入门、遗忘门和输出门。
长短期记忆网络的隐藏层输出包括“隐状态”和“记忆元”。只有隐状态会传递到输出层，而记忆元完全属于内部信息。
长短期记忆网络可以缓解梯度消失和梯度爆炸。
由于序列的长距离依赖性，训练长短期记忆网络 和其他序列模型（例如门控循环单元）的成本是相当高的
长期以来，隐变量模型存在着长期信息保存和短期输入缺失的问题。 解决这一问题的最早方法之一是长短期存储器（long short-term memory，LSTM） (Hochreiter and Schmidhuber, 1997)。 它有许多与门控循环单元（门控循环单元（GRU）_流萤数点的博客-CSDN博客）一样的属性。 有趣的是，长短期记忆网络的设计比门控循环单元稍微复杂一些， 却比门控循环单元早诞生了近20年。
目录
1.门控记忆元
1.1输入门、忘记门和输出门
1.2候选记忆元
1.3记忆元
1.4隐状态
2.从零开始实现
2.1初始化模型参数
2.2定义模型
2.3训练和预测
3.简洁实现
1.门控记忆元
可以说，长短期记忆网络的设计灵感来自于计算机的逻辑门。 长短期记忆网络引入了记忆元（memory cell），或简称为单元（cell）。 有些文献认为记忆元是隐状态的一种特殊类型， 它们与隐状态具有相同的形状，其设计目的是用于记录附加的信息。 为了控制记忆元，我们需要许多门。 其中一个门用来从单元中输出条目，我们将其称为输出门（output gate）。 另外一个门用来决定何时将数据读入单元，我们将其称为输入门（input gate）。 我们还需要一种机制来重置单元的内容，由遗忘门（forget gate）来管理， 这种设计的动机与门控循环单元相同， 能够通过专用机制决定什么时候记忆或忽略隐状态中的输入。 让我们看看这在实践中是如何运作的。
1.1输入门、忘记门和输出门
就如在门控循环单元中一样， 当前时间步的输入和前一个时间步的隐状态 作为数据送入长短期记忆网络的门中， 如 图9.2.1所示。 它们由三个具有sigmoid激活函数的全连接层处理， 以计算输入门、遗忘门和输出门的值。 因此，这三个门的值都在(0,1)的范围内。
1.2候选记忆元
1.3记忆元
1.4隐状态
2.从零开始实现
现在，我们从零开始实现长短期记忆网络。 与 8.5节中的实验相同， 我们首先加载时光机器数据集。
pip install mxnet==1.7.0.post1pip install d2l==0.15.0from mxnet import np, npx
from mxnet.gluon import rnn
from d2l import mxnet as d2l
npx.set_np()
batch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
2.1初始化模型参数
接下来，我们需要定义和初始化模型参数。 如前所述，超参数num_hiddens定义隐藏单元的数量。 我们按照标准差0.01的高斯分布初始化权重，并将偏置项设为0。
def get_lstm_params(vocab_size, num_hiddens, device):
num_inputs = num_outputs = vocab_size
def normal(shape):
return np.random.normal(scale=0.01, size=shape, ctx=device)
def three():
return (normal((num_inputs, num_hiddens)),
normal((num_hiddens, num_hiddens)),
np.zeros(num_hiddens, ctx=device))
W_xi, W_hi, b_i = three() # 输入门参数
W_xf, W_hf, b_f = three() # 遗忘门参数
W_xo, W_ho, b_o = three() # 输出门参数
W_xc, W_hc, b_c = three() # 候选记忆元参数
# 输出层参数
W_hq = normal((num_hiddens, num_outputs))
b_q = np.zeros(num_outputs, ctx=device)
# 附加梯度
params = [W_xi, W_hi, b_i, W_xf, W_hf, b_f, W_xo, W_ho, b_o, W_xc, W_hc,
b_c, W_hq, b_q]
for param in params:
param.attach_grad()
return params2.2定义模型
在初始化函数中， 长短期记忆网络的隐状态需要返回一个额外的记忆元， 单元的值为0，形状为（批量大小，隐藏单元数）。 因此，我们得到以下的状态初始化。
def init_lstm_state(batch_size, num_hiddens, device):
return (np.zeros((batch_size, num_hiddens), ctx=device),
np.zeros((batch_size, num_hiddens), ctx=device))实际模型的定义与我们前面讨论的一样： 提供三个门和一个额外的记忆元。 请注意，只有隐状态才会传递到输出层， 而记忆元Ct不直接参与输出计算。
def lstm(inputs, state, params):
[W_xi, W_hi, b_i, W_xf, W_hf, b_f, W_xo, W_ho, b_o, W_xc, W_hc, b_c,
W_hq, b_q] = params
(H, C) = state
outputs = []
for X in inputs:
I = npx.sigmoid(np.dot(X, W_xi) + np.dot(H, W_hi) + b_i)
F = npx.sigmoid(np.dot(X, W_xf) + np.dot(H, W_hf) + b_f)
O = npx.sigmoid(np.dot(X, W_xo) + np.dot(H, W_ho) + b_o)
C_tilda = np.tanh(np.dot(X, W_xc) + np.dot(H, W_hc) + b_c)
C = F * C + I * C_tilda
H = O * np.tanh(C)
Y = np.dot(H, W_hq) + b_q
outputs.append(Y)
return np.concatenate(outputs, axis=0), (H, C)2.3训练和预测
让我们通过实例化 8.5节中 引入的RNNModelScratch类来训练一个长短期记忆网络， 就如我们在 9.1节中所做的一样。
vocab_size, num_hiddens, device = len(vocab), 256, d2l.try_gpu()
num_epochs, lr = 500, 1
model = d2l.RNNModelScratch(len(vocab), num_hiddens, device, get_lstm_params,
init_lstm_state, lstm)
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)
3.简洁实现
使用高级API，我们可以直接实例化LSTM模型。 高级API封装了前文介绍的所有配置细节。 这段代码的运行速度要快得多， 因为它使用的是编译好的运算符而不是Python来处理之前阐述的许多细节。
lstm_layer = rnn.LSTM(num_hiddens)
model = d2l.RNNModel(lstm_layer, len(vocab))
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)
长短期记忆网络是典型的具有重要状态控制的隐变量自回归模型。 多年来已经提出了其许多变体，例如，多层、残差连接、不同类型的正则化。 然而，由于序列的长距离依赖性，训练长短期记忆网络 和其他序列模型（例如门控循环单元）的成本是相当高的。 在后面的内容中，我们将讲述更高级的替代模型，如Transformer。