如何理解LSTM？

打不死的小强

6年前

本文转载自公众号读芯术，原文地址

RNN的训练有别于普通前馈神经网络，反向传播中会产生权重矩阵的连乘，使得长时间步下的微弱偏移得到放大，产生梯度消失和爆炸，上文介绍的正交初始化和激活函数的选择，目的都是让参数矩阵的特征值尽量维持在1附近。我们本文介绍一种“曲线救国”的方式，它并不直接改变权重的特征值，而是将神经元参数化，通过生成线性自循环的路径，取消了原本RNN中的权重参数W，这就是长短时记忆单元LSTM（long short-term memory）。

这里面有一个广泛的误解，这个单元并不是拥有长时记忆和短时记忆的单元，而是一个长的短时记忆单元，短时记忆在心理学上就表示着工作记忆，类似于内存。从英文名字可以看出来，是long short-term memory，而非long-short term memory。

我们在之前的《如何理解神经网络的循环结构》中曾经阐明了循环结构的本质，它对于不同时间步上的数据序列使用了同样的网络结构，只是将某个或者几个层存储起来用作下一时间步的输入，这个存储的结构就是记忆单元：

如图为RNN的简单结构，我们依次输入序列化数据，前一个时间步的隐层会将得到的数据存放到memory单元，然后再将memory单元乘以矩阵W进入到下一个时间步的隐层。

在上图中，我们下一个时间步的memory单元的存储的信息（Ct）就是：

我们取消权重参数W，并对这个memory单元做重参数化：

由一个门（gate）来参数化存储的步骤，当这个门打开时，我们才会将信息存放到memory单元，这个门叫做输入门（Input Gate）。
memory单元要不要将信息流入到下一个时间步，也由一个门控制，只有当这个门打开时，我们才会将信息输入到下一个时间步，这个门叫做输出门（Output Gate）。

memory单元并非是一个实体，完全可以嵌入到隐藏层本身，我们在这个操作之上又增添了两个门，用来控制输入和输出，就得到了一个基本结构：

其中，输入和输出由sigmoid函数控制，sigmoid函数的输出在[0,1]，可以很好的刻画门的开启或者关闭状态，值的大小就可以表示门被开启的程度。我们将输入门的结果用一个函数Fi来表示，输出门的结果用Fo来表示，为了保证输入门的开启和关闭状态对输入的影响，我们将其直接相乘再一起进入memory，memory的状态我们用C来表示：

这样存入到memory的值就受到了输入门的调节，当其完全关闭时，就代表着信息没有流入。接下来，在输出的时候，我们再次相乘输出门的结果，但是，如果我们希望输入门和输出门的尽可能独立一些，因为直接相乘必然会导致当输入门很小时，输出门即便很大，也不会产生多少输出，所以，我们使用一个函数g作用在memory的结果上，再进行输出门的控制处理：

此时我们得到了一个较为复杂的神经元，输入门控制了信息的流入，输出门控制了信息的流出，那么看起来我们的memory单元是不必要的，但是在RNN中，我们必然采用权重W来控制流通的信息，在LSTM中，我们并没有使用权重，而只是采用简单的相加：

随着序列越来越长，时间步越来越大，前一步的memory会流入到我们下一步的memory，会使得后面的memory单元存储的数值越来越大。此时，有两种可能的后果：

如果我们的函数g也是一个带有挤压性质的激活函数，那么过大的值将会使得这个激活函数永远处于激活状态，失去了学习能力。
如果我们的函数g是ReLU类型的函数，值变得非常巨大时，会使得输出门失效，因为输出门的值再小，当它乘以一个庞大的值时，也会变的非常大。

无论是哪种情况，都在表明我们需要在memory单元中丢弃一些信息，LSTM的解决办法是在原本的单元中加入一个遗忘门（forget gate）,它的作用是重参数化记忆单元，将记忆单元输入的信息乘以遗忘门的结果Ff，存入到记忆单元中作为信息，所以当前的信息就变为了：

可以写出公式如下：

需要特别注意的是，如果我们使用sigmoid函数作为激活函数，那么当遗忘门为1时，就代表着将前一步的信息原封不动的存入到当前，这与它的名字恰好相反，也就是说，当遗忘门关闭时，它会忘记，当遗忘门打开时，它才会回忆。（有点拗口）

整个流程就是，我们将当前时间步的数据乘以输入门的结果，同时前一步的记忆单元乘以遗忘门的结果，两者相加，一起乘以输出门的结果，得到下一层的输出，同时此时的记忆单元参与到下一时间步的运算。

这是一幅大家喜闻乐见的LSTM的示意图，如果你看懂了前面的内容，那么可以和我一起来走一遍，1代表着遗忘门，2代表着输入门，3代表着输出门，中间的符号有➕，✖️，就代表着两种运算，从左到右，上一步的记忆单元C（t-1）与遗忘门相乘，再加上输入门与输入的相乘结果得到当前的记忆单元Ct，Ct沿箭头参与到下一时间步的记忆运算。同时Ct与输出门相乘得输出Ht，Ht沿着箭头参与到下一时间步的输入运算。

在理解LSTM的工作流程之后，我们自然会问它是如何解决长期依赖的问题，有的人会认为这是因为它包含了短时记忆和长时记忆，有的人则会看图说话，说这是因为上一层的信息无损的流入下一层。这两种说法都是错误的。

真正的答案就在上文的取消权重W。在普通RNN中，随着时间步，同一记忆单元存储的信息会越来越多，就选择使用一个权重参数W来学习到自己保留或者去除掉哪些信息，但却会带来长期依赖的问题。整个LSTM的最精华的部分是遗忘门的设计，它不通过权重W就可以解决掉信息冗余的问题，由