学习视频:长短期记忆网络(LSTM)【动手学深度学习v2】
官方笔记:长短期记忆网络(LSTM)
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(LSTM),它有许多与GRU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。
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。
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,如下图所示, 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。
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
batch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
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 torch.randn(size=shape, device=device)*0.01
def three():
return (normal((num_inputs, num_hiddens)),
normal((num_hiddens, num_hiddens)),
torch.zeros(num_hiddens, device=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 = torch.zeros(num_outputs, device=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.requires_grad_(True)
return params
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 (torch.zeros((batch_size, num_hiddens), device=device),
torch.zeros((batch_size, num_hiddens), device=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 C t C_t 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 = torch.sigmoid((X @ W_xi) + (H @ W_hi) + b_i)
F = torch.sigmoid((X @ W_xf) + (H @ W_hf) + b_f)
O = torch.sigmoid((X @ W_xo) + (H @ W_ho) + b_o)
C_tilda = torch.tanh((X @ W_xc) + (H @ W_hc) + b_c)
C = F * C + I * C_tilda
H = O * torch.tanh(C)
Y = (H @ W_hq) + b_q
outputs.append(Y)
return torch.cat(outputs, dim=0), (H, C)
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)
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。
num_inputs = vocab_size
lstm_layer = nn.LSTM(num_inputs, num_hiddens)
model = d2l.RNNModel(lstm_layer, len(vocab))
model = model.to(device)
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)