深度学习笔记之循环神经网络(六)长短期记忆神经网络(LSTM)

引言

上一节介绍了循环神经网络$(\text{Recurrent Neural Network,RNN})$的反向传播过程，本节将针对$\text{RNN}$存在的梯度消失问题，介绍一种新的网络——长短期记忆神经网络$(\text{Long-Short Term Memory,LSTM})$。

回顾：$\text{RNN}$的反向传播过程

关于$\text{RNN}$的网络结构图(展开)表示如下：

仅以上图部分为例，它的前馈计算过程表示如下：
对应的$t,t+1$时刻同理。
$$\begin{array}{r}\{\begin{array}{ll}{\mathcal{Z}}_1^{(t-1)}& ={\mathcal{W}}_{h^{(t-2)}\Rightarrow h^{(t-1)}}\cdot h^{(t-2)}+{\mathcal{W}}_{x^{(t-1)}\Rightarrow h^{(t-1)}}\cdot x^{(t-1)}+b^{(t-1)}\\ h^{(t-1)}& =\text{Tanh}\left[{\mathcal{Z}}_1^{(t-1)}\right]\\ {\mathcal{Z}}_2^{(t-1)}& ={\mathcal{W}}_{h^{(t-1)}\Rightarrow {\mathcal{O}}^{(t-1)}}\cdot h^{(t-1)}+b_{\mathcal{O}}\\ {\mathcal{O}}^{(t-1)}& =\text{Softmax}({\mathcal{Z}}_2^{(t-1)})\end{array}\end{array}$$
假设针对分类任务使用交叉熵作为损失函数，从$t+1$时刻的损失函数信息${\mathcal{L}}^{(t+1)}$开始，对$t-1$时刻的权重${\mathcal{W}}_{x^{(t-1)}\Rightarrow h^{(t-1)}}$求解梯度。那么它的梯度传播方向表示如下(红色箭头方向)：
这里仅描述${\mathcal{L}}^{(t+1)}$对${\mathcal{W}}_{x^{(t-1)}\Rightarrow h^{(t-1)}}$的梯度，其他时刻输出对应的梯度不包含在内。

对应梯度公式表示如下：

• 关于$\begin{array}{r}\frac{\partial {\mathcal{L}}^{(t+1)}}{\partial {\mathcal{O}}^{(t+1)}}\cdot \frac{\partial {\mathcal{O}}^{(t+1)}}{\partial {\mathcal{Z}}_2^{(t+1)}}\end{array}$结果见上一节。
• 其中$y^{(t+1)}$表示$t+1$时刻样本的真实分布。
  $$\begin{array}{rl}\frac{\partial {\mathcal{L}}^{(t+1)}}{\partial {\mathcal{W}}_{x^{(t-1)}\Rightarrow h^{(t-1)}}}& =\underset{{\mathcal{O}}^{(t+1)}梯度结果}{\frac{\partial {\mathcal{L}}^{(t+1)}}{\partial {\mathcal{O}}^{(t+1)}}\cdot \frac{\partial {\mathcal{O}}^{(t+1)}}{\partial {\mathcal{Z}}_2^{(t+1)}}\cdot \frac{\partial {\mathcal{Z}}_2^{(t+1)}}{\partial h^{(t+1)}}}\cdot \left[\prod _{k=t}^{t+1}\frac{\partial h^{(k)}}{\partial {\mathcal{Z}}_1^{(k)}}\cdot \frac{\partial {\mathcal{Z}}_1^{(k)}}{\partial h^{(k-1)}}\right]\cdot \frac{\partial h^{(t-1)}}{\partial {\mathcal{Z}}_1^{(t-1)}}\cdot \frac{\partial {\mathcal{Z}}_1^{(t-1)}}{\partial {\mathcal{W}}_{x^{(t-1)}\Rightarrow h^{(t-1)}}}\\ & =({\mathcal{O}}^{(t+1)}-y^{(t+1)})\cdot {\mathcal{W}}_{h^{(t+1)}\Rightarrow {\mathcal{O}}^{(t+1)}}\cdot \left\{\prod _{k=t}^{t+1}\text{Diag}\left[1-{\text{Tanh}}^2({\mathcal{Z}}_1^{(k)})\right]\cdot {\mathcal{W}}_{h^{(k-1)}\Rightarrow h^{(k)}}\right\}\cdot \text{Diag}\left[1-{\text{Tanh}}^2({\mathcal{Z}}_1^{(t-1)})\right]\cdot x^{(t-1)}\\ & =({\mathcal{O}}^{(t+1)}-y^{(t+1)})\cdot {\mathcal{W}}_{h^{(t+1)}\Rightarrow {\mathcal{O}}^{(t+1)}}\cdot \left\{\prod _{k=t-1}^{t+1}\text{Diag}\left[1-{\text{Tanh}}^2({\mathcal{Z}}_1^{(k)})\right]\right\}\cdot \left\{\prod _{k=t}^{t+1}{\mathcal{W}}_{h^{(k-1)}\Rightarrow h^{(k)}}\right\}\cdot x^{(t-1)}\end{array}$$
  这仅仅是两个时刻长度的梯度描述。更泛化的情况呢$?$例如想要将$\mathcal{T}$时刻的损失信息${\mathcal{L}}^{(\mathcal{T})}$通过梯度传递给${\mathcal{W}}_{x^{(1)}\Rightarrow h^{(1)}}$，关于梯度$\begin{array}{r}\frac{\partial {\mathcal{L}}^{(\mathcal{T})}}{\partial {\mathcal{W}}_{x^{(1)}\Rightarrow h^{(1)}}}\end{array}$可表示为：
  $$\begin{array}{rl}\frac{\partial {\mathcal{L}}^{(\mathcal{T})}}{\partial {\mathcal{W}}_{x^{(1)}\Rightarrow h^{(1)}}}& =({\mathcal{O}}^{(\mathcal{T})}-y^{(\mathcal{T})})\cdot {\mathcal{W}}_{h^{(\mathcal{T})}\Rightarrow {\mathcal{O}}^{(\mathcal{T})}}\cdot \left\{\prod _{k=1}^{\mathcal{T}}\text{Diag}\left[1-{\text{Tanh}}^2({\mathcal{Z}}_1^{(k)})\right]\right\}\cdot \left\{\prod _{k=2}^{\mathcal{T}}{\mathcal{W}}_{h^{(k-1)}\Rightarrow h^{(k)}}\right\}\cdot x^{(1)}\end{array}$$

$\text{RNN}$反向传播的梯度消失问题

上述梯度仅仅描述了${\mathcal{L}}^{(\mathcal{T})}$对${\mathcal{W}}_{x^{(1)}\Rightarrow h^{(1)}}$的梯度信息，实际上，除去初始时刻，其他时刻的输出都会向${\mathcal{W}}_{x^{(1)}\Rightarrow h^{(1)}}$传递梯度信息。
观察上式，其中$\begin{array}{r}\prod _{k=2}^{\mathcal{T}}{\mathcal{W}}_{h^{(k-1)}\Rightarrow h^{(k)}}\end{array}$就是各时刻隐变量权重的累积结果。

由于损失函数使用的交叉熵，因此使用梯度下降法对各权重进行更新，这导致${\mathcal{W}}_{h^{(k-1)}\Rightarrow h^{(k)}}(k=2,\cdots ,\mathcal{T})$结果逐渐趋近于零。最终导致梯度结果$\begin{array}{r}\frac{\partial {\mathcal{L}}^{(\mathcal{T})}}{\partial {\mathcal{W}}_{x^{(1)}\Rightarrow h^{(1)}}}\end{array}$随着各时刻权重更新几乎不发生变化，即梯度消失现象。

从物理意义的角度观察，随着序列长度的增加，对序列初始位置的信息出现忘却的现象。因为参数更新过程中梯度仅能有效传递到之前若干个时刻。这导致无法捕捉长期关联或者依赖关系。
这个问题也被称作‘长期依赖问题’。

长短期记忆神经网络

针对循环神经网络的长期依赖问题，$\text{LSTM}$给出了解决方式。从思想的角度观察，它与循环神经网络没有本质区别，依然是对各时刻隐变量$h_t(t=1,2,\cdots ,\mathcal{T})$的后验分布以及对应下一时刻输入的后验分布进行交替求解：
$$\{\begin{array}{l}\mathcal{P}(h_t\mid h_{t-1},x_{t-1})=\mathcal{P}[h_t\mid f(h_{t-1},x_{t-1};\lambda )]\\ \mathcal{P}(x_t\mid h_t,x_{t-1})=\mathcal{P}[x_t\mid f(h_t,x_{t-1};\eta )]\end{array}$$
不同于$\text{RNN}$的神经网络构建，$\text{LSTM}$对各单元的输出进行了限制，从而避免出现梯度消失现象。$\text{LSTM}$的结构展开图表示如下：

可以看出，$\text{LSTM}$单元结构与循环神经网络是相似的。每个单元均包含$x^{(t)},h^{(t)}$；不同点在于，$\text{LSTM}$内增加了一个新的变量——细胞状态$(\text{Cell State}){\mathcal{C}}^{(t)}$。

从图中可以看出，在每一个$\text{LSTM}$单元中，${\mathcal{C}}^{(t)}$不仅全程陪跑，并且还对当前时刻隐变量输出$h^{(t)}$存在紧密关联。下面从$\text{LSTM}$单元中的各结构进行介绍。

遗忘门结构

被称作遗忘门$(\text{Forget Gate})$的神经元结构，其输入包含两个部分：当前时刻$t$的输入信息$x^{(t)}$，以及$t$时刻之前的序列信息$h^{(t-1)}$；由于$\sigma =\text{Sigmoid}$激活函数的原因，其输出$f^{(t)}$是一个各元素值均$\in (0,1)$的向量结果。对应公式表示如下：
正常写法是$f_t=\sigma ({\mathcal{W}}_f\cdot [h^{(t-1)},x^{(t)}]+b_f)$,其将$h^{(t-1)},x^{(t)}$进行拼接，使用一个权重矩阵${\mathcal{W}}_f$进行表示。这里仅是为了与上面格式相同，下同。
$$f^{(t)}=\sigma \left[{\mathcal{W}}_{h^{(t-1)}\Rightarrow f^{(t)}}\cdot h^{(t-1)}+{\mathcal{W}}_{x^{(t)}\Rightarrow f^{(t)}}\cdot x^{(t)}+b_f\right]$$
我们可以将$f^{(t)}$理解成比率，即各分量保留下来(不被遗忘)的比率。

输入门结构

被称作输入门$(\text{Input Gate})$的结构，包含了两个神经元，并且这两个神经元的输入是相同的：$x^{(t)},h^{(t-1)}$

• 第一个神经元的激活函数是$\text{Tanh}$，该格式与循环神经网络中的$h^{(t)}$的描述相同，即当前$t$时刻，单元内的序列信息。记作候选信息${\mathcal{C}}^{(t)}$：
  $${\mathcal{C}}^{(t)}=\text{Tanh}\left[{\mathcal{W}}_{h^{(t-1)}\Rightarrow {\mathcal{C}}^{(t)}}\cdot h^{(t-1)}+{\mathcal{W}}_{x^{(t)}\Rightarrow {\mathcal{C}}^{(t)}}\cdot x^{(t)}+b_{\mathcal{C}}\right]$$
• 另一个神经元的激活函数是$\text{Sigmoid}$，它与遗忘门结构的思想完全相同。只不过该神经元针对的对象是候选信息${\mathcal{C}}^{(t)}$，而遗忘门针对的对象是过去时刻累积的状态信息${\mathcal{C}}^{(t-1)}$：
  $$i^{(t)}=\sigma \left[{\mathcal{W}}_{h^{(t-1)}\Rightarrow i^{(t)}}\cdot h^{(t-1)}+{\mathcal{W}}_{x^{(t)}\Rightarrow i^{(t)}}\cdot x^{(t)}+b_i\right]$$

遗忘门与输入门的特征融合操作

将$t$时刻输入门结构中的更新比率$i^{(t)}$与对应的候选信息${\mathcal{C}}^{(t)}$做点乘$i^{(t)}\ast {\mathcal{C}}^{(t)}$，表示：当前$t$时刻能够被保留下来的候选信息；同理，遗忘门结构的遗忘比率$f^{(t)}$与${\mathcal{C}}^{(t-1)}$做点乘$f^{(t)}\ast {\mathcal{C}}^{(t-1)}$，表示能够保留下来的过去$t-1$时刻的累积信息。

将两种信息融合，得到：从初始时刻到$t$时刻保留下来的累积信息${\mathcal{C}}^{(t)}$：
$${\mathcal{C}}^{(t)}=f^{(t)}\ast {\mathcal{C}}^{(t-1)}+i^{(t)}\ast {\mathcal{C}}^{(t)}$$

输出门结构

被称作输出门$(\text{Output Gate})$的结构，包含一个神经元和一个$\text{Tanh}$激活函数：

• 对于激活函数$\text{Tanh}$，它的输入部分是融合特征${\mathcal{C}}^{(t)}$。$\text{Tanh}$函数的一个主要作用是：${\mathcal{C}}^{(t)}$种贸然将两类特征融合，势必会使特征分布发生变化。而$\text{Tanh}$激活函数在不破坏恒等映射分布的情况下，最大程度的将偏离的分布拉回来。
  $\text{Tanh}$激活函数不仅映射值域较广$(-1,1)$,并且该函数在$0$附近的结果趋近于$y=x$,这是一个优秀的性质。
关于恒等映射分布与激活函数的底层逻辑，详见数值稳定性、模型初始化与激活函数
  $$\text{Tanh}({\mathcal{C}}^{(t)})$$
• 另一个神经元的激活函数是$\text{Sigmoid}$，它与遗忘门、输入门结构的思想完全相同。也就是说：即便是融合后，并将分布还原后的特征信息，同样需要挑选出需要保留的信息，并作为下一时刻的隐状态输出$h^{(t)}$，而未经过$\text{Tanh}$映射的融合特征${\mathcal{C}}^{(t)}$，继续陪跑，作为下一时刻的过去时刻累积状态：
  $$\{\begin{array}{l}{o}^{(t)}=\sigma ({\mathcal{W}}_{h^{(t-1)}\Rightarrow o^{(t)}}\cdot h^{(t-1)}+{\mathcal{W}}_{x^{(t)}\Rightarrow o^{(t)}}\cdot x^{(t)}+b_o)\\ h^{(t)}=o^{(t)}\ast \text{Tanh}({\mathcal{C}}^{(t)})\end{array}$$

个人感悟

之前在其他的模型中，我们更多的是对随机变量的后验进行推断(观测变量、隐变量)。而这里的$f^{(t)},i^{(t)},o^{(t)}$，我们人为给他们赋予的物理意义是一个比率，更泛化地说，它们都是约束序列信息的一种权重。而这种权重还被其他权重约束着。例如：
o ( t ) ⏟ 一种权重 = σ ( W h ( t − 1 ) ⇒ o ( t ) ⏟ 约束权重 o ( t ) 的权重 ⋅ h ( t − 1 ) + W x ( t ) ⇒ o ( t ) ⏟ 约束权重 o ( t ) 的权重 ⋅ x ( t ) + b o ) \underbrace{o^{(t)}}_{一种权重} = \sigma \left(\underbrace{\mathcal W_{h^{(t-1)} \Rightarrow o^{(t)}}}_{约束权重o^{(t)}的权重} \cdot h^{(t-1)} + \underbrace{\mathcal W_{x^{(t)} \Rightarrow o^{(t)}}}_{约束权重o^{(t)}的权重} \cdot x^{(t)} + b_o \right) 一种权重 o(t)​​=σ ​约束权重o(t)的权重 Wh(t−1)⇒o(t)​​​⋅h(t−1)+约束权重o(t)的权重 Wx(t)⇒o(t)​​​⋅x(t)+bo​ ​
并能够执行用其执行运算。这种嵌套是个很奇特的感受。
它们的本质也是隐变量，但它们能够与其他隐变量执行运算。

下一节将从反向传播的角度观察为什么$\text{LSTM}$能够抑制梯度消失。

相关参考：
RNN梯度消失回顾（公式推导）
大名鼎鼎的LSTM详解