LSTM（长短时记忆网络）

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一、什么是LSTM?

LSTM是RNN的一种，可以解决RNN短时记忆的不足，当一条序列足够长，那RNN将很难将信息从较早的时间步传送到后面的时间步，而LSTM能学习长期依赖的信息，记住较早时间步的信息，因此可以做到联系上下文。

比如：

1.

RNN可以根据前面几个单词有效预测出空白处单词为sky。

2.

RNN可以根据空格处附近的信息得出，这里应该填一种语言，但还不知道具体是哪种语言，我们想的是让模型根据前文的I grew up in France，得出这里应该是法语，但是序列相隔距离太远，RNN做不到有效利用历史信息，所以我们需要依靠LSTM来完成。

二、LSTM详解

LSTM有三个门，分别为遗忘门，输入门（有的也叫更新门，候选门，作用是一样的），输出门。通过这三个门来控制哪些信息该遗忘丢弃，哪些信息该保留，或者保持不变。就像管道阀门一样，控制流通不流通。

先来看一张lstm结构的展开图，后面对三个门及作用进行拆解。

符号说明：

:当前时刻输入信息 

:上一时刻的隐藏状态

:传递到下一时刻的隐藏状态

 :sigmoid函数，通过这个函数可以将数据变为0-1范围的数值。

tanh: tanh函数，通过这个函数可以将数据变为[-1,1]范围的数值

LSTM的特点：

lstm比rnn多一个细胞状态（cell state），也有人叫记忆细胞。

下图中的水平黑线表示上一时刻的细胞状态通过三个门的控制及线性运算来决定哪些信息该遗忘丢弃，哪些信息该保留，或者不变，从而生成当前时刻的细胞状态

这只是某个时刻的细胞状态的更新过程，在整个长序列中，每个时刻的细胞状态都对上一时刻的信息选择性的进行遗忘丢弃，或者保留，或者不变，对记忆进行更新，从传送到，因此可以做到长期记忆。

 0.什么是门？

LSTM通过门（gate）来控制细胞状态遗忘或添加记忆，门的结构就是一个sigmoid层再点乘上一时刻的细胞状态，下图就是一个门。

sigmoid层输出的值范围在[0, 1]，可以作为门控信号，0点乘任何值还是0，表示过不去，这些记忆就遗忘了，1表示可以通过，记忆就保留下来了。

1. 遗忘门

遗忘门的作用对象是细胞状态，作用是控制细胞状态中的信息进行选择性的遗忘，决定哪部分需要丢弃，哪些需要保留。那么是如何控制细胞状态选择性遗忘记忆的呢，我们结合公式来看:

遗忘门的公式： 

 权重矩阵对和拼接而成的矩阵进行矩阵相乘，再加上偏置，投入到sigmoid函数中，得到一个与相同维度的矩阵， 比如，得到为[ 0,0,1,0]，矩阵中每一个值都决定中对应信息的遗忘或保留，0代表彻底丢弃，1代表完全保留。

比如一个语言模型，根据之前的所有词预测下一个词。细胞状态可能已经记住了当前人物的性别，以便下次预测人称代词（他还是她），但当出现一个新人物时，需要将上一个人物的性别忘掉。

举例：

小明是一个帅气的男生，小美喜欢…，当处理到‘’小美‘’的时候，需要选择性的忘记前面的’小明’，或者说减小这个词对后面词的作用。

2.输入门

输入门的作用对象也是细胞状态，作用是决定要往细胞状态中存储哪些新的信息，也就是细胞状态选择性的添加哪些新的记忆。那么如何决定添加哪些新的信息呢，输入门分两个部分进行。

 第一部分：

 构建一个输入门，决定哪些信息被添加到细胞状态中，作为新的记忆。

输入门公式： 

与遗忘门公式差不多，输入门通过线性运算得到一个与相同维度的矩阵， 比如，得到为       [ 0,0,1,0]，矩阵中每一个值都决定中对应信息的丢弃或保留，0代表彻底丢弃，1代表完全保留

 第二部分：

构建出一个候选细胞状态，它保存了 和中的信息，然后与​​​​​​​的值点乘，来决定哪些记忆是有用的，依然中0代表彻底丢弃，1代表完全保留，这样保留下来的信息作为新的记忆添加给新的细胞状态，所以这里叫候选细胞状态，它只是一个等候选择的，有用的才会被作为新记忆添加。

候选细胞状态 的公式：

接着上一个例子：

这一步传入了一些信息，比如小美喜欢穿裙子，输入门就是要在这些信息中筛选出来有用的，用来记住新人物的性别，记住小美的性别为女，作为新的记忆添加。

3.更新记忆

新的细胞状态中的记忆由两部分构成。

一部分是，上一时刻的记忆细胞遗忘掉没用的记忆后剩下的旧记忆

另一部分是，输入门中把有用的信息筛选出来当作新的记忆

新的细胞状态的公式：

 点乘表示处理后的旧记忆，点乘表示需要添加的新记忆，加起来就是新的细胞状态。

继续举例：

小明是一个帅气的男生，小美喜欢穿裙子，这一步是要忘记小明性别为男，记住小美性别为女。

4.输出门

输出门的作用是决定最终输出什么，也就是​​​​​​​，这个输出是以新的细胞状态为基础的，分两部分进行。

第一部分：

依然使用sigmoid层来得到，比如​​​​​​​=[0,0,0,1]，来决定哪部分细胞状态需要被输出，需要的记忆才输出，并不是所有的都输出。

 的公式：

 第二部分：

把新的细胞状态通过tanh函数处理，将输出值变为[-1. 1]，再点乘，来控制哪部分需要输出。

 的公式：