LSTM与GRU简单介绍

和我们人一样，RNN虽然擅长处理序列问题，但它也只能记住重要的短时信息，对于长时间的信息它则很难处理。也就是说，如果一条序列足够长，那它将很难把信息从较早的时间步传送到后面的时间步。因此，如果你准备进行一个文本预测任务，RNN 可能会遗漏一些间隔时间较长的重要信息。为什么会如此？因为RNN在反向传播的过程中，会面临梯度消失的问题，即梯度会随着时间推移慢慢下降。当梯度变得足够小，它就不会再进行学习。而LSTM和GRU就是短时记忆问题的解决方案。因为它们内部具有一些“门”可以调节信息流。这些“门”知道序列中哪些重要的数据是需要被保留，而哪些是需要被删除的。随后它可以沿着长链序列传递相关信息以进行预测，这也是为什么LSTM和GRU在后来的实际应用中越来越受欢迎的原因。

什么是短时记忆

举个栗子，当我们浏览购物网站，看到这样一条洗发露广告时：去屑柔顺，让秀发飘逸更有光泽。我们的大脑下意识地会记住某些重要的关键词，比如“去屑”和“柔顺”这样的词汇，而不太会关心“让”、“秀发”、“更有”等字样。所以如果第二天让你回忆这条广告语时，那你很可能已经忘记了大部分的信息，只剩下印象深刻的小部分内容。并且随着时间间隔越长，能记住的信息就越少，这就是短时记忆。

【LSTM】

LSTM 的控制流程与 RNN 相似，都是在前向传播过程中处理流过节点的信息，不同之处在于 LSTM内部具有“门”结构，而各个“门”之间分工配合，更好地处理长时间的序列信息。其具体内部结构如下图所示。

由图中可以看出，LSTM内部结构之间存在互相依赖的运算操作，而这一系列运算操作使得 LSTM具有能选择保存信息或遗忘信息的功能。乍一看这些运算操作时可能有点复杂，但其实这些运算操作都与其内部的门结构息息相关，在LSTM中有三种类型的门：遗忘门、输入门和输出门。

遗忘门

遗忘门的功能是决定应丢弃或保留哪些信息，来自前一个隐藏状态的信息和当前输入的信息同时传递到 sigmoid 函数中去，输出值介于 0 和 1 之间，越接近 0 意味着越应该丢弃，越接近 1 意味着越应该保留。遗忘门的运算过程如下图所示。

输入门

输入门的主要作用是更新细胞状态，首先将前一层隐藏状态的信息和当前输入的信息传递到sigmoid 函数中去，将值调整到 0~1 之间来决定要更新哪些信息。0 表示不更新，1 表示更新。其次还要将前一层隐藏状态的信息和当前输入的信息传递到 tanh 函数中去，创造一个新的候选值向量。最后将 sigmoid 的输出值与 tanh 的输出值相乘，sigmoid 的输出值将决定 tanh 的输出值中哪些信息是重要并且需要保留下来的。下图是输入门的具体运算过程。

什么是细胞状态

LSTM的关键是细胞状态，如下图所示，表示细胞状态的这条线水平地穿过图的顶部。细胞状态类似于输送带，细胞的状态在整条链上运行，只有一些小的线性操作作用其上，信息很容易保持不变地流过整条链。

经过输入门之后的下一步就是计算细胞状态，首先前一层的细胞状态与遗忘门向量逐点相乘。如果它乘以接近 0 的值，意味着在新的细胞状态中，这些信息是需要丢弃的。然后再将该值与输入门的输出值逐点相加，将神经网络发现的新信息更新到细胞状态中去，这样就得到了更新后的细胞状态。

输出门

输出门用来确定下一个隐藏状态的值，隐藏状态包含了先前输入的信息。首先，我们将前一个隐藏状态和当前输入传递到 sigmoid 函数中，然后将新得到的细胞状态传递给 tanh 函数。最后将 tanh 的输出与 sigmoid 的输出相乘，以确定隐藏状态应携带的信息。再将隐藏状态作为当前门的输出，把新的细胞状态和新的隐藏状态传递到下一个时间步长中去。

最后让我们再梳理一下前面介绍的内容，首先遗忘门用于确定前一个步长中哪些相关的信息需要被保留；其次输入门用于确定当前输入中哪些信息是重要的，需要被添加；最后输出门用来确定下一个隐藏状态应该是什么，这就是LSTM各个门的主要功能。

【GRU】

知道了 LSTM 的工作原理之后，我们来简单了解一下 GRU。GRU 是新一代的循环神经网络，与 LSTM 非常相似。但与 LSTM 相比，GRU 去除掉了前面介绍的细胞状态部分，使用隐藏状态来进行信息的传递。因此它只包含两个门：更新门和重置门。其内部结构如下图所示。

更新门的作用类似于 LSTM 中的遗忘门和输入门。它决定了要忘记哪些信息以及哪些新信息需要被添加，重置门用于决定遗忘先前信息的程度。另外，由于GRU的张量运算较少，因此它比 LSTM 的训练速度更快一些。但很难说这两者到底谁更好，只能说LSTM到目前为止比GRU更常用一些，具体可以根据实际的任务场景来选择。

【总结】

总而言之，RNN 适用于处理序列问题，但却受到短时记忆的制约。LSTM 和 GRU 采用门结构来克服短时记忆的影响，因为门结构可以调节流经序列链的信息流。因此LSTM 和 GRU 目前被广泛地应用到语音识别、语音合成和自然语言处理等领域。最后是LSTM简单的代码实践案例，有兴趣的同学可以对比一下与上节课介绍的RNN之间的效果差别。好了，本节课到此，感谢大家的支持！