LSTM的核心構(gòu)成,實(shí)際中“門(mén)”的效果如何？

長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）是序列建模中被廣泛使用的循環(huán)結(jié)構(gòu)，LSTM利用門(mén)結(jié)構(gòu)來(lái)控制模型中信息的傳輸量。但在實(shí)際操作中，LSTM中的門(mén)通常都處于“半開(kāi)半關(guān)”的狀態(tài)，沒(méi)有有效地控制信息的記憶與遺忘。為此，微軟亞洲研究院機(jī)器學(xué)習(xí)組提出了一種新的LSTM訓(xùn)練方法，讓模型的門(mén)接近“二值化”——0或1，可以更準(zhǔn)確地去除或者增加信息，進(jìn)而提高模型的準(zhǔn)確性、壓縮比以及可解釋性。

在很多實(shí)際場(chǎng)景中，深度學(xué)習(xí)模型都要面臨輸入長(zhǎng)度不固定或者說(shuō)輸入變長(zhǎng)（variable-length input）的問(wèn)題：例如在文本判別中，我們需要判斷一個(gè)句子的語(yǔ)義是積極還是消極的，這里輸入句子的長(zhǎng)度是多種多樣的；在時(shí)間序列預(yù)測(cè)問(wèn)題中，我們需要根據(jù)歷史上信息的變化預(yù)測(cè)當(dāng)前的數(shù)值，而歷史信息的長(zhǎng)度在不同時(shí)間點(diǎn)也是不同的。

普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，比如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），無(wú)法解決此類(lèi)輸入變長(zhǎng)的問(wèn)題。為此，人們首先提出了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network），簡(jiǎn)稱(chēng)RNN。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心是通過(guò)循環(huán)的方式，將歷史信息和當(dāng)前信息不斷整合。例如，當(dāng)你看美劇第N集時(shí)，需要通過(guò)對(duì)前N-1集的劇情的理解（記憶），以及當(dāng)前這一集的劇情（當(dāng)前輸入），更新自己對(duì)這部劇的理解。

在深度學(xué)習(xí)早期，RNN結(jié)構(gòu)在很多應(yīng)用中取得了成功，但同時(shí)，這個(gè)簡(jiǎn)單模型的瓶頸也不斷顯現(xiàn)，這不僅涉及到優(yōu)化本身（如梯度爆炸、梯度消失）的問(wèn)題，還有模型的復(fù)雜度的問(wèn)題。例如一句話(huà)“小張已經(jīng)吃過(guò)飯了，小李呢？”，這句話(huà)是在詢(xún)問(wèn)“小李是否吃過(guò)飯”，但在RNN看來(lái)，信息是從左到右不斷流入的，所以最后很難分清到底是在問(wèn)小張是否過(guò)飯，還是在問(wèn)小李是否吃過(guò)飯。于是帶有遺忘機(jī)制的新結(jié)構(gòu)就誕生了——長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short Term Memory Network，LSTM）。

LSTM是由Hochreiter & Schmidhuber在1997年提出的RNN的一種特殊類(lèi)型，可以學(xué)習(xí)長(zhǎng)期依賴(lài)（long-term dependency）信息。在很多自然語(yǔ)言處理問(wèn)題以及增強(qiáng)學(xué)習(xí)問(wèn)題中，LSTM都取得相當(dāng)巨大的成功，并得到了廣泛的使用。

LSTM的核心構(gòu)成

LSTM的關(guān)鍵構(gòu)成是一種被稱(chēng)作“門(mén)”的結(jié)構(gòu)，LSTM通過(guò)精心設(shè)計(jì)的門(mén)結(jié)構(gòu)去除或者增加信息。門(mén)是一種讓信息選擇通過(guò)的方法。一般情況下，在一個(gè)維度上，一個(gè)門(mén)是一個(gè)輸出范圍在0到1之間的數(shù)值，用來(lái)描述這個(gè)維度上的信息有多少量可以通過(guò)這個(gè)門(mén)——0代表“不許任何量通過(guò)”，1代表“全部通過(guò)”。

LSTM擁有三類(lèi)門(mén)，分別是輸入門(mén)、輸出門(mén)、和遺忘門(mén)。

首先，LSTM需要通過(guò)遺忘門(mén)決定應(yīng)該從歷史中丟棄什么信息。在每一維度，遺忘門(mén)會(huì)讀取歷史信息和當(dāng)前信息，輸出一個(gè)在0到1之間的數(shù)值，1表示該維度所攜帶的歷史信息“完全保留”，0表示該維度所攜帶的歷史信息“完全舍棄”。例如在前面的例子中，當(dāng)我們讀到“小張已經(jīng)吃過(guò)飯了，小李呢？”時(shí)，我們會(huì)把“主語(yǔ)”信息中的小張忘掉，這個(gè)操作就是通過(guò)遺忘門(mén)實(shí)現(xiàn)的。

然后，要確定需要把什么新信息存放在當(dāng)前內(nèi)容中，例如前面的例子中，我們把小張“忘掉”后，需要把主語(yǔ)信息換成小李，這個(gè)“增加”操作是通過(guò)輸入門(mén)實(shí)現(xiàn)的。而對(duì)于不同任務(wù)而言，我們需要將當(dāng)前信息整理輸出以方便做決策，這個(gè)整理輸出信息的過(guò)程，是通過(guò)輸出門(mén)實(shí)現(xiàn)的。LSTM如下圖右所示。

圖1 左：經(jīng)典循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，右：長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)

在實(shí)際操作中，門(mén)是通過(guò)激活函數(shù)實(shí)現(xiàn)的：給定一個(gè)輸入值x，通過(guò)sigmoid變換，可以的到一個(gè)值域在[0,1]之間的值，若x大于0，則輸出值大于0.5，若x小于0，則輸出值小于0.5。

實(shí)際中“門(mén)”的效果如何？

門(mén)是否真的具有我們上述描述的意義呢？這也是我們這篇論文的出發(fā)點(diǎn)。為了探究這個(gè)問(wèn)題，我們分析了IWSLT14德語(yǔ)-英語(yǔ)的翻譯任務(wù)，這個(gè)翻譯任務(wù)的模型是基于LSTM的端到端（sequence-to-sequence）結(jié)構(gòu)。

我們?cè)谟?xùn)練集中隨機(jī)抽取10000對(duì)平行語(yǔ)料，畫(huà)出在這些語(yǔ)料上LSTM輸入門(mén)與遺忘門(mén)的取值分布直方圖，如下圖所示。

圖2 輸入門(mén)與遺忘門(mén)取值分布

從圖中可以清晰地看到，很大一部分門(mén)的取值都在0.5附近。換句話(huà)說(shuō)，LSTM中的門(mén)都處于一種模棱兩可的“半開(kāi)半關(guān)”的狀態(tài)。這種現(xiàn)象與LSTM網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)有所出入：這些門(mén)并沒(méi)有顯式地控制信息的記憶與遺忘，而是以某種方式“記住”了所有的信息。與此同時(shí)，許多工作也指出LSTM中的大部分門(mén)都很難找到實(shí)際意義，這也進(jìn)一步印證了我們的發(fā)現(xiàn)（相關(guān)討論詳見(jiàn)文末論文）。

“二值化”的門(mén)結(jié)構(gòu)

從上面的例子中可以看到，雖然LSTM在翻譯任務(wù)中取得了很好的效果，但是門(mén)并沒(méi)有想象中的明顯作用。同時(shí)也有一些前人的工作指出：LSTM的絕大多數(shù)維度并沒(méi)有明顯的可解釋信息。那么如何能夠?qū)W到一個(gè)更好的LSTM呢？這個(gè)問(wèn)題引領(lǐng)我們?nèi)ネ诰蜷T(mén)結(jié)構(gòu)更大的價(jià)值：既然門(mén)是一個(gè)開(kāi)關(guān)的概念，那么有沒(méi)有可能學(xué)習(xí)出一個(gè)接近“二值化”（binary-valued）的LSTM呢？一個(gè)接近“二值化”的門(mén)（binary-valued gate）有以下幾點(diǎn)好處：

1.門(mén)的作用更加符合真實(shí)意義下門(mén)的概念：通常意義下，門(mén)其實(shí)更多的是指其“開(kāi)”、“關(guān)”兩種狀態(tài)。而我們?nèi)W(xué)習(xí)一個(gè)接近“二值化”的門(mén)的目的，也與LSTM的核心思想非常一致。

2. “二值化”更適合模型壓縮：如果門(mén)的值非常接近0或者1，說(shuō)明sigmoid函數(shù)的輸入值x是個(gè)很大的正數(shù)，或者很小的負(fù)數(shù)。這時(shí)輸入值x的微小改變對(duì)輸出值影響甚微，由于輸入值x通常也是參數(shù)化的，所以“二值化”可以方便對(duì)于這部分參數(shù)的壓縮。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，即使達(dá)到很大的壓縮比，我們的模型仍然有很好的效果。

3. “二值化”帶來(lái)更好的可解釋性：要求門(mén)的輸出值接近0或1，會(huì)對(duì)模型本身有更高的要求。在信息取舍的過(guò)程中，某個(gè)節(jié)點(diǎn)保留或者遺忘掉該維度全部信息。我們認(rèn)為這種學(xué)習(xí)得到的門(mén)更能體現(xiàn)自然語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容以及內(nèi)部邏輯，如前面提到的關(guān)于吃飯的例子。

如何讓訓(xùn)練后的模型的門(mén)接近二值化？我們借鑒了ICLR17上關(guān)于變分法（variantional method）的一個(gè)新進(jìn)展：Categorical Reparameterization with Gumbel-Softmax。簡(jiǎn)單而言，將門(mén)的輸出“二值化”的最好辦法是訓(xùn)練一個(gè)隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（stochastic neural network），其中門(mén)的輸出是一個(gè)概率p，在伯努利分布中得到0/1的隨機(jī)采樣，借此去得到不同位置取0/1時(shí)的損失，進(jìn)而優(yōu)化參數(shù)得到最優(yōu)p。而在隱層節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行離散操作時(shí)，梯度回傳遇到問(wèn)題，我們采用的方法就是用Gumbel-Softmax Estimator近似多項(xiàng)分布的概率密度函數(shù)，進(jìn)而達(dá)到既可學(xué)習(xí)又方便優(yōu)化的目的（具體方法見(jiàn)文末論文）。我們將這一方法命名為Gumbel-Gate LSTM，簡(jiǎn)稱(chēng)G2-LSTM。

準(zhǔn)確率、可壓縮性與可解釋性

我們?cè)贚STM網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)經(jīng)典應(yīng)用——語(yǔ)言模型和機(jī)器翻譯上測(cè)試了這一方法，在準(zhǔn)確率、可壓縮性與可解釋性三方面與之前的LSTM模型進(jìn)行比較。

準(zhǔn)確率

語(yǔ)言模型是LSTM網(wǎng)絡(luò)最基本的應(yīng)用之一。語(yǔ)言模型要求LSTM網(wǎng)絡(luò)根據(jù)一句話(huà)當(dāng)中之前已知的詞語(yǔ)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)下一個(gè)詞的選取。我們使用廣泛使用的Penn Treebank數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練語(yǔ)料，該訓(xùn)練集總共包含約一百萬(wàn)個(gè)詞。語(yǔ)言模型一般使用perplexity作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，perplexity越小說(shuō)明模型越精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖3語(yǔ)言模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖中可以看到，通過(guò)將LSTM中的門(mén)進(jìn)行“二值化”，模型的表現(xiàn)有所提升：我們模型的perplexity為56.1，與基線(xiàn)模型的perplexity57.3相比，有1.2的提升。而在加入了測(cè)試時(shí)后處理（continuous cache pointer）的情況下，我們的模型達(dá)到了52.1，較基線(xiàn)模型的52.8有0.7的提升。

機(jī)器翻譯是目前深度學(xué)習(xí)應(yīng)用最為成功的領(lǐng)域之一，而基于LSTM的端到端（sequence-to-sequence）結(jié)構(gòu)是機(jī)器翻譯中被廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。我們?cè)趦蓚€(gè)公開(kāi)數(shù)據(jù)集：IWSLT14德語(yǔ)到英語(yǔ)數(shù)據(jù)集和WMT14英語(yǔ)到德語(yǔ)數(shù)據(jù)集上測(cè)試了我們的方法。IWSLT14德英數(shù)據(jù)集包含約15萬(wàn)句平行語(yǔ)料，WMT14英德數(shù)據(jù)集包含約450萬(wàn)句平行語(yǔ)料。對(duì)于IWSLT14德英數(shù)據(jù)集，我們使用了兩層編碼器-解碼器（encoder-decoder）結(jié)構(gòu)；而由于WMT14英德數(shù)據(jù)集大小更大，我們使用了更大的三層編碼器-解碼器結(jié)構(gòu)。機(jī)器翻譯任務(wù)一般由測(cè)試集上的BLEU值作為最后的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，BLEU值越高說(shuō)明翻譯質(zhì)量越高，機(jī)器翻譯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果下圖所示。

圖4機(jī)器翻譯實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與語(yǔ)言模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)論類(lèi)似，我們的模型在機(jī)器翻譯上的表現(xiàn)同樣有所提升：在IWSLT14德英數(shù)據(jù)集上，我們模型的BLEU值達(dá)到了31.95，比基線(xiàn)模型高0.95；而在WMT14德英數(shù)據(jù)集上，我們模型的BLEU值為22.43，比基線(xiàn)模型高0.54。

可壓縮性

將模型進(jìn)行“二值化”能夠使得我們的模型對(duì)于參數(shù)的擾動(dòng)更加魯棒。因此，我們比較了不同模型在參數(shù)壓縮下的性能。我們采用了兩種方式對(duì)與門(mén)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行壓縮：

精度壓縮。我們首先限制了參數(shù)的精度（使用round函數(shù)），例如當(dāng)公式中的r取0.1時(shí)，所有的模型參數(shù)都僅被保留一位小數(shù)精度。在這之后，我們進(jìn)一步控制了參數(shù)取值的范圍（使用clip函數(shù)），將所有取值大于c的參數(shù)都變?yōu)閏，將所有取值小于-c的參數(shù)都變?yōu)?c。由于兩個(gè)任務(wù)的參數(shù)取值范圍不太相同，在語(yǔ)言模型上，我們?cè)O(shè)置r=0.2，c=0.4；在機(jī)器翻譯上，我們?cè)O(shè)置r=0.5，c=1.0。這使得所有的參數(shù)最終將只能取5個(gè)值

低秩壓縮。我們利用奇異值分解（singular value decomposition），將參數(shù)矩陣分解為兩個(gè)低秩矩陣的乘積，這能夠顯著減少模型大小，并且能夠加快矩陣乘法，從而提高模型運(yùn)行速度。

圖5壓縮后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如上圖所示。我們可以看到，不論在哪種情況下，我們的模型都顯著優(yōu)于壓縮后的模型，這說(shuō)明這一模型的魯棒性較之前的LSTM有大幅度的提升。

可解釋性

除了比較數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果外，我們進(jìn)一步地觀察了模型中門(mén)的取值，用同樣的語(yǔ)料畫(huà)出了我們的模型中門(mén)的取值分布直方圖，如下圖所示。

圖6 輸入門(mén)與遺忘門(mén)取值分布

從圖中我們可以看到，大部分輸入門(mén)的取值都在1.0附近，這意味著我們的模型接受了大部分的輸入信息；而遺忘門(mén)的取值都集中在0.0或1.0附近，這意味著我們訓(xùn)練后得到的遺忘門(mén)確實(shí)做到了選擇性地記憶/遺忘信息。這些觀察都證明了我們的訓(xùn)練算法確實(shí)能夠讓門(mén)的取值更加靠近0/1兩端。

除了觀察網(wǎng)絡(luò)中門(mén)的取值在數(shù)據(jù)集上的分布情況，我們還在訓(xùn)練集中隨機(jī)抽取的幾條句子上觀察了每個(gè)時(shí)刻門(mén)的平均取值，如下圖所示。

圖7樣例分析

從圖中我們可以看到，傳統(tǒng)LSTM網(wǎng)絡(luò)的輸入門(mén)取值較為平均，并且對(duì)于一些有意義的詞（例如“wrong”），傳統(tǒng)LSTM的平均輸入門(mén)取值都較小，這很不利于模型獲取關(guān)于這個(gè)詞的信息，最終將使模型產(chǎn)生不好的翻譯效果。而在我們的模型中，輸入門(mén)的取值都很大，這意味著大部分詞的信息都被LSTM網(wǎng)絡(luò)接受。另一方面，在我們提出的模型中，遺忘門(mén)取值較小的詞都是一些功能詞，例如連詞（“and”）或標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，這說(shuō)明我們的模型能夠正確判斷句子的邊界，來(lái)清空模型的之前的記憶，來(lái)獲取新的信息。

了解更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)下面鏈接或點(diǎn)擊閱讀原文訪(fǎng)問(wèn)我們的論文：

Zhuohan Li, Di He, Fei Tian, Wei Chen, Tao Qin,Liwei Wang, and Tie-Yan Liu. "Towards Binary-Valued Gates for Robust LSTM Training."ICML 2018.

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/1806.02988

作者簡(jiǎn)介：

李卓翰，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2015級(jí)本科生，在微軟亞洲研究院機(jī)器學(xué)習(xí)組實(shí)習(xí)。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)。主要關(guān)注深度學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)，及其在不同任務(wù)場(chǎng)景下的應(yīng)用。