长短时记忆神经网络的算法

导读：人工智能机器学习有关算法内容，今天我们重点探讨一下长短时记忆神经网络（LSTM）算法。

通过上一篇文章［人工智能之循环神经网络（RNN）］ 介绍，我们知道，RNN是一类功能强大的人工神经网络算法，RNN一个重要的优点在于，其能够在输入和输出序列之间的映射过程中利用上下文相关信息。但是RNN存在着梯度消失或梯度爆炸等问题。因此，为了解决上述问题，长短时记忆神经网络（LSTM）诞生了。

长短期记忆神经网络LSTM是一种特殊的RNN，能够学习长期依赖关系。由Hochreiter和Schmidhuber （1997）提出，在后期工作中又由许多人进行了调整和普及（除了原始作者之外，许多人为现代LSTM做出了贡献，不完全统计：Felix Gers（目前在谷歌的DeepMind任职）， Fred Cummins， Santiago Fernandez， Felix Gers（发明了LSTM遗忘门），Justin Bayer（自动演化）， Daan Wierstra， Julian Togelius， Faustian Gomez， Matteo Gagliolo 和 Alex Graves）。LSTM在大量问题上效果异常出色，现在正在广泛使用。

LSTM概念：

长短时记忆神经网络LSTM（Long Short–Term Memory）是一种时间递归神经网络，适合于处理和预测时间序列中间隔和延迟相对较长的重要事件。

与其说长短时记忆神经网络LSTM是一种循环神经网络，倒不如说是一个加强版的组件被放在了循环神经网络中。具体地说，就是把循环神经网络中隐含层的小圆圈换成长短时记忆的模块，如下图所示。

LSTM本质：

LSTM引入自循环的巧妙构思，以产生梯度长时间持续流动的路径是初始LSTM模型的核心贡献。其中一个关键扩展是使自循环的权重视上下文而定，而不是固定的。门控此自循环（由另一个隐藏单元控制）的权重，累积的时间尺度可以动态地改变。

LSTM循环网络除了外部的RNN循环外，还具有内部的LSTM细胞循环（自环）。

LSTM 通过刻意的设计来避免长期依赖问题。记住长期的信息在实践中是 LSTM 的默认行为，而非需要付出很大代价才能获得的能力。

LSTM原理：

LSTM区别于RNN的地方，主要就在于它在算法中加入了一个判断信息有用与否的“处理器”，这个处理器作用的结构被称为cell。

一个cell当中被放置了三扇门，分别叫做输入门、遗忘门和输出门。一个信息进入LSTM的网络当中，可以根据规则来判断是否有用。只有符合算法认证的信息才会留下，不符的信息则通过遗忘门被遗忘。

说起来无非就是一进二出的工作原理，却可以在反复运算下解决神经网络中长期存在的大问题。目前已经证明，LSTM是解决长序依赖问题的有效技术，并且这种技术的普适性非常高，导致带来的可能性变化非常多。各研究者根据LSTM纷纷提出了自己的变量版本，这就让LSTM可以处理千变万化的垂直问题。

LSTM深度剖析：

LSTM 有通过精心设计的称作为“门”的结构来去除或者增加信息到细胞状态的能力。门是一种让信息选择式通过的方法。其包含一个 sigmoid 神经网络层和一个 pointwise 乘法操作。

Sigmoid 层输出 0 到 1 之间的数值，描述每个部分有多少量可以通过。0 代表“不许任何量通过”，1 就指“允许任意量通过”！

LSTM 拥有三个门（输入门，遗忘门，输出门），来保护和控制细胞状态。

标准LSTM：

1）决定丢弃信息：

2）确定更新的信息：

3）更新细胞状态：

4）输出信息：

LSTM的变体：

1）peephole 连接：

2）coupled 忘记门和输入门：

3） GRU（Gated Recurrent Unit）：

LSTM应用场景：

LSTM已经在科技领域有了多种应用。基于LSTM的系统可以学习翻译语言、控制机器人、图像分析、文档摘要、语音识别、图像识别、手写识别、控制聊天机器人、预测疾病、点击率和股票、合成音乐等任务。

2015 年谷歌通过基于CTC 训练的 LSTM 程序大幅提升了安卓手机和其他设备中语音识别的能力。百度也使用了 CTC；苹果的 iPhone 在 QucikType 和 Siri 中使用了LSTM；微软不仅将LSTM 用于语音识别，还将这一技术用于虚拟对话形象生成和编写程序代码等。亚马逊 Alexa 通过双向LSTM在家中与用户交流，而谷歌使用 LSTM 的范围更加广泛，它可以生成图像字幕，自动回复电子邮件，它包含在新的智能助手Allo中，也显着地提高了谷歌翻译的质量。目前，谷歌数据中心的很大一部分计算资源现在都在执行 LSTM 任务。

结语：

长短期记忆网络LSTM是一种时间递归神经网络，适合于处理和预测时间序列中间隔和延迟相对较长的重要事件。LSTM是使用RNN的一个飞跃。LSTM算法在人工智能之机器学习、翻译语言、控制机器人、图像分析、文档摘要、语音识别、图像识别、手写识别、控制聊天机器人、预测疾病、点击率和股票、合成音乐等领域有着广泛应用。