遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
在傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，模型不會關(guān)注上一時刻的處理會有什么信息可以用于下一時刻，每一次都只會關(guān)注當(dāng)前時刻的處理。舉個例子來說，我們想對一部影片中每一刻出現(xiàn)的事件進(jìn)行分類，如果我們知道電影前面的事件信息，那么對當(dāng)前時刻事件的分類就會非常容易。實(shí)際上，傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有記憶功能，所以它對每一刻出現(xiàn)的事件進(jìn)行分類時不會用到影片已經(jīng)出現(xiàn)的信息，那么有什么方法可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠記住這些信息呢？答案就是Recurrent Neural Networks（RNNs）遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有一些不同，它帶有一個指向自身的環(huán)，用來表示它可以傳遞當(dāng)前時刻處理的信息給下一時刻使用，結(jié)構(gòu)如下：

其中， XtXt為輸出。

為了更容易地說明遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們把上圖展開，得到：

這樣的一條鏈狀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代表了一個遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以認(rèn)為它是對相同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多重復(fù)制，每一時刻的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會傳遞信息給下一時刻。如何理解它呢？假設(shè)有這樣一個語言模型，我們要根據(jù)句子中已出現(xiàn)的詞預(yù)測當(dāng)前詞是什么，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理如下：



其中，W為各類權(quán)重，x表示輸入，y表示輸出，h表示隱層處理狀態(tài)。

遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因?yàn)榫哂幸欢ǖ挠洃浌δ?#xff0c;可以被用來解決很多問題，例如：語音識別、語言模型、機(jī)器翻譯等。但是它并不能很好地處理長時依賴問題。

長時依賴問題
長時依賴是這樣的一個問題，當(dāng)預(yù)測點(diǎn)與依賴的相關(guān)信息距離比較遠(yuǎn)的時候，就難以學(xué)到該相關(guān)信息。例如在句子”我出生在法國，……，我會說法語“中，若要預(yù)測末尾”法語“，我們需要用到上下文”法國“。理論上，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是可以處理這樣的問題的，但是實(shí)際上，常規(guī)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不能很好地解決長時依賴，好的是LSTMs可以很好地解決這個問題。

LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
Long Short Term Mermory network（LSTM）是一種特殊的RNNs，可以很好地解決長時依賴問題。那么它與常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有什么不同？
首先我們來看RNNs具體一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)：

所有的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是由重復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成的一條鏈，可以看到它的處理層非常簡單，通常是一個單tanh層，通過當(dāng)前輸入及上一時刻的輸出來得到當(dāng)前輸出。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，經(jīng)過簡單地改造，它已經(jīng)可以利用上一時刻學(xué)習(xí)到的信息進(jìn)行當(dāng)前時刻的學(xué)習(xí)了。

LSTM的結(jié)構(gòu)與上面相似，不同的是它的重復(fù)模塊會比較復(fù)雜一點(diǎn)，它有四層結(jié)構(gòu)：

其中，處理層出現(xiàn)的符號及表示意思如下：

LSTMs的核心思想
理解LSTMs的關(guān)鍵就是下面的矩形方框，被稱為memory block（記憶塊），主要包含了三個門（forget gate、input gate、output gate）與一個記憶單元（cell）。方框內(nèi)上方的那條水平線，被稱為cell state（單元狀態(tài)），它就像一個傳送帶，可以控制信息傳遞給下一時刻。

這個矩形方框還可以表示為：



這兩個圖可以對應(yīng)起來看，下圖中心的 ctct分別為遺忘門、輸入門、輸出門，用sigmoid層表示。上圖中的兩個tanh層則分別對應(yīng)cell的輸入與輸出。

LSTM可以通過門控單元可以對cell添加和刪除信息。通過門可以有選擇地決定信息是否通過，它有一個sigmoid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層和一個成對乘法操作組成，如下：

該層的輸出是一個介于0到1的數(shù)，表示允許信息通過的多少，0 表示完全不允許通過，1表示允許完全通過。

逐步解析LSTM
LSTM第一步是用來決定什么信息可以通過cell state。這個決定由“forget gate”層通過sigmoid來控制，它會根據(jù)上一時刻的輸出ht?1ht?1通過或部分通過。如下：

舉個例子來說就是，我們在之前的句子中學(xué)到了很多東西，一些東西對當(dāng)前來講是沒用的，可以對它進(jìn)行選擇性地過濾。

第二步是產(chǎn)生我們需要更新的新信息。這一步包含兩部分，第一個是一個“input gate”層通過sigmoid來決定哪些值用來更新，第二個是一個tanh層用來生成新的候選值C~tC~t相加，得到了候選值。

一二步結(jié)合起來就是丟掉不需要的信息，添加新信息的過程：

舉個例子就是，在前面的句子中我們保存的是張三的信息，現(xiàn)在有了新的李四信息，我們需要把張三的信息丟棄掉，然后把李四的信息保存下來。

最后一步是決定模型的輸出，首先是通過sigmoid層來得到一個初始輸出，然后使用tanh將
CtCt值縮放到-1到1間，再與sigmoid得到的輸出逐對相乘，從而得到模型的輸出。



這顯然可以理解，首先sigmoid函數(shù)的輸出是不考慮先前時刻學(xué)到的信息的輸出，tanh函數(shù)是對先前學(xué)到信息的壓縮處理，起到穩(wěn)定數(shù)值的作用，兩者的結(jié)合學(xué)習(xí)就是遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)思想。至于模型是如何學(xué)習(xí)的，那就是后向傳播誤差學(xué)習(xí)權(quán)重的一個過程了。

上面是對LSTM一個典型結(jié)構(gòu)的理解，當(dāng)然，它也會有一些結(jié)構(gòu)上的變形，但思想基本不變，這里也就不多講了。

轉(zhuǎn)載來源：https://blog.csdn.net/shijing_0214/article/details/52081301

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的简单理解LSTM神经网络的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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