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长短时记忆网络（SLTM）：理解与实践

article 2024/11/26 16:59:35

长短时记忆网络（SLTM），即短期长期记忆网络，是一种特殊的循环神经网络（RNN），它能够学习到数据中的长期依赖关系。在这篇文章中，我们将详细介绍SLTM的工作原理，并提供一个简单的代码示例，以帮助读者更好地理解和应用SLTM。

SLTM的工作原理

SLTM的核心在于其能够捕捉序列数据中的长期依赖关系。它通过引入“门”（gates）机制来控制信息的流动，这些门包括遗忘门、输入门、记忆单元和输出门。

遗忘门（Forget Gate）：决定哪些信息应该从记忆单元中丢弃。遗忘门的输出是一个介于0和1之间的值，表示保留信息的程度。
输入门（Input Gate）：决定哪些新信息将被存储在记忆单元中。它包括两部分：sigmoid激活函数用来决定更新的部分，和tanh激活函数来生成候选值。
记忆单元（Cell State）：是LSTM的核心，它能够在时间序列中长时间保留信息。通过遗忘门和输入门的相互作用，记忆单元能够学习如何选择性地记住或忘记信息。
输出门（Output Gate）：决定了下一个隐藏状态（也即下一个时间步的输出）。首先，输出门使用sigmoid激活函数来决定记忆单元的哪些部分将输出，然后这个值与记忆单元的tanh激活的值相乘得到最终输出。

SLTM的代码实现

以下是使用PyTorch实现SLTM的一个简单示例。这个示例展示了如何定义一个LSTM模型，并对其进行前向传播。

import torch
import torch.nn as nn

# 定义LSTM模型
class LstmRNN(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size=1, output_size=1, num_layers=1):
        super().__init__()
        self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers) # 利用torch.nn中的LSTM模型
        self.forwardCalculation = nn.Linear(hidden_size, output_size)
    
    def forward(self, _x):
        x, _ = self.lstm(_x)  # _x是输入，尺寸(seq_len, batch, input_size)
        s, b, h = x.shape  # x是输出，尺寸(seq_len, batch, hidden_size)
        x = x.view(s*b, h)
        x = self.forwardCalculation(x)
        x = x.view(s, b, -1)
        return x

# 实例化模型
input_size = 10
hidden_size = 20
num_layers = 2
lstm_model = LstmRNN(input_size, hidden_size, output_size=1, num_layers=num_layers)

# 创建输入数据
batch_size = 3
sequence_length = 5
input = torch.randn(sequence_length, batch_size, input_size)

# 前向传播
output = lstm_model(input)
print(output)