LSTM的工作原理究竟是什么？深入了解LSTM

長短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）是一種時間遞歸神經網絡（RNN），適合被用于處理和預測時間序列中間隔和延遲非常長的重要事件，經多年實驗證實，它通常比RNN和HMM效果更好。那么LSTM的工作原理究竟是什么？為了講述這個概念，搬運了chrisolah的一篇經典文章，希望能給各位讀者帶來幫助。

遞歸神經網絡

當人類接觸新事物時，他們不會從頭開始思考。就像你在閱讀這篇文章時，你會根據以前的知識理解每個單詞，而不是舍棄一切，從字母開始重新學習。換句話說，你的思維有延續(xù)性。

神經網絡的出現(xiàn)旨在賦予計算機人腦的機能，但在很長一段時間內，傳統(tǒng)的神經網絡并不能模仿到這一點。而這似乎是個很嚴峻的缺點，因為它意味著神經網絡無法從當前發(fā)生的事推斷之后將要發(fā)生的事，也就是無法分類電影中流暢發(fā)生的各個事件。

后來，遞歸神經網絡（RNN）的出現(xiàn)解決了這個問題，通過在網絡中添加循環(huán)，它能讓信息被“記憶”地更長久。

RNN有循環(huán)

上圖是一個大型神經網絡A，輸入一些數(shù)據xt后，它會輸出最終值ht。循環(huán)允許信息從當前步驟傳遞到下一個步驟。

這些循環(huán)使它看起來有些神秘。但如果仔細一想，你會發(fā)現(xiàn)其實它和普通的神經網絡并沒有太大區(qū)別：一個RNN就相當于是一個神經網絡的多個副本，每個副本都會把自己收集到的信息傳遞給后繼者。如果我們把它展開，它是這樣的：

展開的RNN

這種鏈式性質揭示了RNN和序列、列表之間的密切關系。從某種程度上來說，它就是專為這類數(shù)據設計的神經網絡自然架構。

實踐也證實，RNN確實有用！過去幾年里，它在各類任務中取得了令人難以置信的成功：語音識別、語言建模、機器翻譯、圖像字幕……應用場景十分廣闊。幾年前，現(xiàn)任特斯拉AI總監(jiān)Andrej Karpathy寫了一篇名為The Unreasonable Effectiveness of Recurrent Neural Networks的博客，專門介紹了RNN“不合理”的適用性，有興趣的讀者可以前去一讀。

在文章中我們可以發(fā)現(xiàn)，這種適用性的關鍵是“LSTM”的使用。這是一種非常特殊的RNN，所有能用RNN實現(xiàn)的東西，LSTM都能做，而且相較于普通版，它在許多任務中還會有更優(yōu)秀的表現(xiàn)。所以下文我們就來看看什么是LSTM。

長期依賴問題

RNN最具吸引力的一點是它能把之前的信息連接到當前的任務上，比如我們可以用之前的視頻圖像理解這一幀的圖像。如果能建立起這種聯(lián)系，它的前途將不可限量。所以它真的能做到嗎？答案是：不一定。

有時候，我們只需要查看最近的信息就能執(zhí)行當前任務，如構建一個能根據前一個詞預測下一個詞的語言模型。如果我們要預測“天空中漂浮著云朵，”這個句子的最后一個詞語，模型不需要任何進一步的語義背景——很明顯，最后一個詞是“云朵”。在這種情況下，如果相關信息和目標位置差距不大，RNN完全能學著去用以前的知識。

但有時我們也會希望模型能聯(lián)系下上文進行理解，比如預測“我在法國長大......我會說流利的法語。”這句話的最后一個詞。最近的信息提示是這個詞很可能是一種語言的名稱，如果要精確到是哪種語言，我們就需要結合句子開頭的“法國”來理解。這時兩個相關信息之間間隔的距離就非常遠。

不幸的是，隨著距離不斷拉大，RNN會逐漸難以學習其中的連接信息。

從理論上看，RNN絕對有能力去處理這種長期依賴性，我們可以不斷調參來解決各種玩具問題，但在實踐中，RNN卻徹頭徹尾地失敗了。關于這個問題，之前Hochreiter（1991）和Bengio等人（1994）已經做了深入探討，此處不再贅述。

謝天謝地，LSTM沒有這些問題。

LSTM網絡

長期短期記憶網絡——通常被稱為“LSTM”——是一種特殊的RNN，能學習長期依賴性。它最早由Hochreiter＆Schmidhuber于1997年提出，后經眾多專家學者提煉和推廣，現(xiàn)在因性能出色已經被廣泛使用。

LSTM的設計目的非常明確：避免長期依賴性問題。對LSTM來說，長時間“記住”信息是一種默認的行為，而不是難以學習的東西。

之前我們提到了，RNN是一個包含大量重復神經網絡模塊的鏈式形式，在標準RNN里，這些重復的神經網絡結構往往也非常簡單，比如只包含單個tanh層：

標準RNN中只包含單個tanh層的重復模塊

LSTM也有與之相似的鏈式結構，但不同的是它的重復模塊結構不同，是4個以特殊方式進行交互的神經網絡。

LSTM示意圖

這里我們先來看看圖中的這些符號：

在示意圖中，從某個節(jié)點的輸出到其他節(jié)點的輸入，每條線都傳遞一個完整的向量。粉色圓圈表示pointwise操作，如節(jié)點求和，而黃色框則表示用于學習的神經網絡層。合并的兩條線表示連接，分開的兩條線表示信息被復制成兩個副本，并將傳遞到不同的位置。

LSTMs背后的核心理念

LSTMs的關鍵是cell的狀態(tài)，即貫穿示意圖頂部的水平線。

cell狀態(tài)有點像傳送帶，它只用一些次要的線性交互就能貫穿整個鏈式結構，這其實也就是信息記憶的地方，因此信息能很容易地以不變的形式從中流過。

為了增加/刪除cell中的信息，LSTM中有一些控制門（gate）。它們決定了信息通過的方式，包含一個sigmoid神經網絡層和一個pointwise點乘操作。

sigmoid層輸出0到1之間的數(shù)字，點乘操作決定多少信息可以傳送過去，當為0時，不傳送；當為1時，全部傳送。

像這樣的控制門，LSTM共有3個，以此保護和控制cell狀態(tài)。

深入了解LSTM

我們先來看看cell該刪除哪些信息，做這個決定的是包含sigmoid層的遺忘門。對于輸入xt和ht-1，遺忘門會輸出一個值域為[0, 1]的數(shù)字，放進細胞狀態(tài)Ct?1中。當為0時，全部刪除；當為1時，全部保留。

以之前預測下一個詞的語言模型為例，對于“天空中漂浮著云朵，”這個句子，LSTM的cell狀態(tài)會記住句子主語“云朵”的詞性，這之后才能判斷正確的代詞。等下次再遇到新主語時，cell會“忘記”“云朵”的詞性。

我們再來看看cell該如何增加新信息。這可以分為兩步，首先，LSTM會用一個包含sigmoid層的輸入門決定哪些信息該保留，其次，它會用一個tanh層為這些信息生成一個向量C~t，用來更新細胞狀態(tài)。

在語言模型例子中，如果句子變成了“天空中漂浮著云朵，草地上奔跑著駿馬”。那LSTM就會用“駿馬”的詞性代替正在被遺忘的“云朵”的詞性。

有了遺忘門和輸入門，現(xiàn)在我們就能把細胞狀態(tài)Ct?1更新為Ct了。如下圖所示，其中ft×Ct?1表示希望刪除的信息，it×Ct表示新增的信息。

最后就是決定LSTM輸出內容的輸出門。它的信息基于cell狀態(tài)，但還要經過一定過濾。我們先用sigmoid層決定將要輸出的cell內容，再用tanh層把cell狀態(tài)值推到-1和1之間，并將其乘以sigmoid層的輸出，以此做到只輸出想要輸出的部分。

LSTM的變體

以上介紹的是一個非常常規(guī)的LSTM，但在實踐中我們也會遇到很多很不一樣的神經網絡，因為一旦涉及使用，人們就會不可避免地要用到一些DIY版本。雖然它們差異不大，但其中有一部分值得一提。

2000年的時候，Gers＆Schmidhuber提出了一種添加了“peephole connections”的LSTM變體。它意味著我們能在相應控制門內觀察cell狀態(tài)。下圖為每個門都添加了窺視孔，我們也可以只加一處或兩處。

第二種變體是耦合遺忘門和輸入門，讓一個模塊同時決定該增加/刪除什么信息。

第三種稍具戲劇化的變體是Cho等人于2014年提出的帶有GRU的LSTM。它把遺忘門和輸入門組合成一個“更新門”，合并了cell狀態(tài)和隱藏狀態(tài)，并做了一些其他的修改。這個模型的優(yōu)點是更簡單，也更受歡迎。

以上只是幾個最知名的LSTM變體，還有很多其他的，比如Yao等人的Depth Gated RNN。此外一些人也一直在嘗試用完全不同的方法來解決長期依賴問題，比如Koutnik等人的Clockwork RNN。

小結

如果只是列一大堆數(shù)學公式，LSTM看起來會非常嚇人。因此為了讓讀者更容易理解掌握，本文制作了大量可視化圖片，它們也一直深受業(yè)內人士認可，在各類文章中被廣泛引用。

LSTM是完善RNN的重要內容，雖然它到現(xiàn)在已經成果累累，但我們以此為起點，探索RNN身上的其他研究方向，如近兩年非常紅火的注意力機制（Attention Mechanism）、在GAN中使用RNN等。過去幾年對神經網絡來說是激動人心的一段時光，相信未來會更加如此！