人工智能的重要算法之一--LSTM算法

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。
ltsm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。
ltsm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,也显著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。

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