LSTM（长短期记忆网络）详解

1️⃣ LSTM介绍

标准的RNN存在梯度消失和梯度爆炸问题，无法捕捉长期依赖关系。那么如何理解这个长期依赖关系呢？

例如，有一个语言模型基于先前的词来预测下一个词，我们有一句话 “the clouds are in the sky”，基于"the clouds are in the"，预测"sky"，在这样的场景中，预测的词和提供的信息之间位置间隔是非常小的，如下图所示，RNN可以捕捉到先前的信息。

然而，针对复杂场景，我们有一句话"I grew up in France… I speak fluent French"，"French"基于"France"推断，但是它们之间的间隔很远很远，RNN 会丧失学习到连接如此远信息的能力。这就是长期依赖关系。

为了解决该问题，LSTM通过引入三种门遗忘门，输入门，输出门控制信息的流入和流出，有助于保留长期依赖关系，并缓解梯度消失【注意：没有梯度爆炸昂】。LSTM在1997年被提出

2️⃣ 原理

下面这张图是标准的RNN结构：

• $x_t$是t时刻的输入
• $s_t$是t时刻的隐层输出，$s_t=f(U\cdot x_t+W\cdot s_{t-1})$，f表示激活函数，$s_{t-1}$表示t-1时刻的隐层输出
• $h_t$是t时刻的输出，$h_t=softmax(V\cdot s_t)$
  

LSTM的整体结构如下图所示，第一眼看到，反正我是看不懂。前面讲到LSTM引入三种门遗忘门，输入门，输出门，现在我们逐一击破，一个个分析一下它们到底是什么。

这是3D视角的LSTM：

首先来看遗忘门，也就是下面这张图：

遗忘门输入包含两部分

• $s_{t-1}$：表示t-1时刻的短期记忆（即隐层输出），在LSTM中当前时间步的输出$h_{t-1}$就是隐层输出$s_{t-1}$
• $x_t$：表示t时刻的输入

遗忘门输出为$f_t$，公式表示为：
$$f_t=\sigma \left(W_f\cdot [h_{t-1},x_t]+b_f\right)$$
其中，$W_f$和$b_f$是遗忘门的参数，$[s_{t-1},x_t]$表示concat操作。$\sigma ()$表示sigmoid函数。

遗忘门定我们会从长期记忆中丢弃什么信息【理解为：删除什么日记】，输出一个在 0 到 1 之间的数值，1 表示“完全保留”，0 表示“完全舍弃”。

然后来看输入门：

输入门的输入包含两部分：

• $s_{t-1}$：表示t-1时刻的短期记忆
• $x_t$：表示t时刻的输入

输入门的输出为新添加的内容$i_t\ast {\tilde{C}}_t$，其具体操作为：
$$\begin{array}{rl}{i}_t& =\sigma \left(W_i\cdot [s_{t-1},x_t]+b_i\right)\\ {\tilde{C}}_t& =\tanh (W_C\cdot [s_{t-1},x_t]+b_C)\end{array}$$

输入门决定什么样的新信息被加入到长期记忆（即细胞状态）中【理解为：添加什么日记】。

然后，我们来更新长期记忆，将$C_{t-1}$更新为$C_t$。我们把旧状态$C_{t-1}$与遗忘门的输出$f_t$相乘，忘记一些东西。接着加上输入门的输出 $i_t\ast {\tilde{C}}_t$，新加一些东西，最终得到新的长期记忆$C_t$。具体操作为：

$$C_t=f_t\ast C_{t-1}+i_t\ast {\tilde{C}}_t$$

最后来看输出门：

输出门的输入包含：

• $s_{t-1}$：表示t-1时刻的短期记忆
• $x_t$：表示t时刻的输入
• $c_t$：更新后的长期记忆

输出门的输出为$h_t$和$s_t$，$h_t$作为当前时间步的输出，$s_t$当做短期记忆输入到t+1，其具体操作为：
$$\begin{array}{rl}& o_t=\sigma \left(W_o\left[s_{t-1},x_t\right]+b_o\right)\\ & s_t=h_t=o_t\ast \tanh \left(C_t\right)\end{array}$$

首先，我们运行一个 sigmoid 层来确定长期记忆的哪个部分将输出出去。接着，我们把长期记忆通过 tanh 进行处理（得到一个在-1到1之间的值）并将它和$o_t$相乘，最终将输出copy成两份$h_t$和$s_t$，$h_t$作为当前时间步的输出，$s_t$当做短期记忆输入到t+1。

LSTM的结构分析完了，那为什么LSTM能够缓解梯度消失呢？

我前面写的这篇文章中介绍了为什么RNN会有梯度消失和爆炸：点这里查看

主要原因是反向传播时，梯度中有这一部分：
$$\prod _{j=k+1}^3\frac{\partial s_j}{\partial s_{j-1}}=\prod _{j=k+1}^{3}tan{h}^{{}^{\prime }}W$$
LSTM的作用就是让$\frac{\partial s_j}{\partial s_{j-1}}$≈1

在LSTM里，隐藏层的输出换了个符号，从$s$变成$C$了，即$C_t=f_t\ast C_{t-1}+i_t\ast {\tilde{C}}_t$。注意，$f_t$ ,$i_{t\text{ 和}}{\tilde{C}}_t$ 都是 $C_{t-1}$的复合函数(因为它们都和$h_{t-1}$有关，而$h_{t-1}$又和$C_{t-1}$有关)。因此我们来求一下$\frac{\partial C_t}{\partial C_{t-1}}$：
$$\frac{\partial C_t}{\partial C_{t-1}}=f_t+\frac{\partial f_t}{\partial C_{t-1}}\cdot C_{t-1}+\dots$$

后面的我们就不管了，展开求导太麻烦了。这里面$f_t$是遗忘门的输出，1表示完全保留旧状态，0表示完全舍弃旧状态，如果我们把$f_t$设置成1或者是接近于1，那$\frac{\partial C_t}{\partial C_{t-1}}$就有梯度了。因此LSTM可以一定程度上缓解梯度消失，然而如果时间步很长的话，依然会存在梯度消失问题，所以只是缓解。

注意：LSTM可以缓解梯度消失，但是梯度爆炸并不能解决，因为LSTM不影响参数W

3️⃣ 代码

# 创建一个LSTM模型
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class LSTM(nn.Module):
    def __init__(self,input_size,hidden_size,num_layers,output_size):
        super().__init__()
        self.num_layers=num_layers
        self.hidden_size=hidden_size

        # 定义LSTM层
        # batch_first=True则输入形状为(batch, seq_len, input_size)
        self.lstm=nn.LSTM(input_size,hidden_size,num_layers,batch_first=True)
        # 定义全连接层，用于输出
        self.fc=nn.Linear(hidden_size,output_size)
    def forward(self, x):
        # self.lstm(x)会返回两个值
        # out：形状为 (batch,seq_len,hidden_size)
        # 隐层状态和细胞状态：形状为 (batch, num_layers, hidden_size)；在这里，我们忽略隐层状态和细胞状态的输出，因此使用了占位符
        out, _ = self.lstm(x)
        out = self.fc(out)
        return out

    
if __name__=='__main__':
    input_size=10
    hidden_size=64
    num_layers=1
    output_size=1
    net=LSTM(input_size,hidden_size,num_layers,output_size)
    # x的形状为(batch_size, seq_len, input_size)
    x=torch.randn(16,8,input_size)
    out=net(x)
    print(out.shape)

输出结果为：

torch.Size([16, 8, 1])，表示有16个batch，对于每个batch，有8个时间步，每个时间步的output大小为1

4️⃣ 总结

• 思考一个问题，对于多层LSTM，如何理解呢？
  
  注意：图中颜色相同的其实表达的值一样，$h=s$。

  1. 第一层 LSTM 首先初始隐层状态$s_0^{layer1}$和细胞状态$c_0^{layer1}$，然后输入$x_{t-1}$ 生成隐层状态和输出$s_{t-1}^{layer1}=h_{t-1}^{laryer1}$和细胞状态$c_{t-1}^{layer1}$。
  2. 第二层 LSTM首先初始隐层状态$s_0^{layer2}$和细胞状态$c_0^{layer2}$，然后接收第一层的输出$h_{t-1}^{laryer1}$作为输入，生成$s_{t-1}^{layer2}=h_{t-1}^{laryer2}$和$c_{t-1}^{layer2}$
  3. 第N层 LSTM首先初始隐层状态$s_0^{layerN}$和细胞状态$c_0^{layerN}$，然后接收第N-1层的输出$h_{t-1}^{laryerN-1}$作为输入，生成最终的$s_{t-1}^{layerN}=h_{t-1}^{laryer2}$和$c_{t-1}^{layerN}$

• 为什么需要多层LSTM？
  多层 LSTM 通过增加深度来增强模型的表示能力和复杂度，能够学习到更高阶、更抽象的特征

• 通过控制遗忘门的输出$f_t$来控制梯度，以缓解梯度消失问题，但不能缓解梯度爆炸

5️⃣ 参考

• 理解 LSTM 网络

• 【LSTM长短期记忆网络】3D模型一目了然，带你领略算法背后的逻辑

• 关于RNN的梯度消失&爆炸问题