LSTM论文翻译-《Understanding LSTM Networks》

1.     循环神经网络（RNNs）人们并不是每一秒都重新开始新的思考的，就像你读这篇论文，你基于以前对词句的认知来理解每一个词，而不是丢掉以前所有的知识，重新开始构思新的想法。人们的思维是持续的。传统的神经网络是不会持续思考的，这是它的主要短板，例如，想象你要区分一部电影在每个时间段发生那种事件，传统的神经网络（以下称NN）怎样合理的将电影前面发生的事件传递给后面的事件呢？这是不明的。RNN的网络内部有很多环，可以让信息持续下去。

上面的框图中，神经网络A，其输入是xt，输出是ht，环可以让信息从一步通向网络的下一步。只看上面的框图，环容易让人迷惑，但是往深处想想，其实，RNN和一般的NN并没有多大的不同。一个RNN可以看做是多个相同NN单元的拷贝连接，每个拷贝都传递一个信息给下一个拷贝。看看把环展开会发生什么：


这个链式的自然展开让RNN很容易变成了NN的序列和链表。它就是NN对每个daa的处理。将前一个节点的信息传递给下一个的做法是很有效的，最近几年，RNN在不同的领域上都取得了可喜的效果：语音识别、语言模型、机器翻译、图像字幕…。可以看看Andrej Karpathy讨论RNN令人惊喜的成果的博文《The Unresonable Effectiveness of Recurrent Neural Network》。取得这些成果的重点是，他们都用了LSTM，一种特殊的RNN，在很多应用上，它的效果都比标准的RNN好很多。这篇文章的重点也是将LSTM的。 2.    长序依赖问题RNN被选择的一个重要原因是它可以连接前面的信息为当前节点所用，就像视频前面的帧可以输入到当前环节来预测或者理解当前帧。如果RNN能真正做到这样，那人它的确非常有用了，但是它真的能吗？实际上，这要视情况而定。有时，我们只需要就近的一些信息就可以完成当前任务。例如，一个语言模型想要根据前面的词预测最后一个词，如要预测“the clouds are in the sky.”的最后一个词，我们不需要更多的上下文语境就能知道最后一个词是sky。在这个例子中，要用到的语境很简单，RNN可以很好的里面句子前面的词信息得到正确的答案。


但是，也有很多句子需要更多语境，如“I grew up in France. … I speak fluent French.”从临近的语境中可以知道，最后一个词应该是一种语言，但是要知道是哪种语言，必须要前面的“France”，要再往前推。需要的信息和当前点可能隔很远。不幸的是，随着距离的增加，RNN并不能学习到有用的信息。


理论上，RNNs完全可以掌控“长句依赖”，我们可以人为的选择好的参数嘛。但实践证明，RNN基本不可能学习很长的句子。Hochreiter和Begnio对此有很深的研究，并且找到了根本原因。而幸运的是，这个问题LSTM不会有。 3.    LSTM 网络LSTM是一种特殊的RNN，可以解决长句依赖问题。它是由Hochreiter和Schnidhuber最先提出的，后来很多人用它解决了很多问题，现在被广泛的应用。LSTM被明确的设计出来解决长句依赖问题的。记住长周期有用信息是它的基本功能。标准的RNNs如下：


LSTM也是这种链式的结构，只是重复单元的内部结构不一样，它不是单独的NN层，而是4个NN，这4个相互影响。


其中，


上面框图中，每一行将一个节点的整个向量输出传递到下一个结点做输入。 4.    LSTM的核心LSTM的重点是cell state，下面水平这条线从架构的最上面走，cell state就是传送带，整个系统就像一条长直链，只有一些线性关系，信息往下传而不会改变。


LSTM能删去或者增加信息，依靠的而是门结构。门是信息选择性通过的一种手段，门由sigmoid神经层和一个点乘单元组成。


Sigmoid层的输出介于0和1之间，输出为0表示信息完全不通过，输出为1表示信息全部通过。一个LSTM有3个这样的二门来控制和保护cell state。 5.    一步一步看LSTM的工作原理LSTM的第一步是决定哪些信息丢掉，这个动作是由包含sigmoid层的“forget gate layer”来做的。和输入门中，输出一个介于0和1的值，作用于（前一个cell state），1表示完全保留，0表示完全丢掉。回到基于前面的词预测最后一个词的语言模型中，如果这个cell state包含有前一个话题的特征，那么正确的代词会被用到（？），如果从一个新的话题开始，那么旧话题的特征将被遗忘掉。


下一步决定哪些新的信息将被加入cell state。这由两部分构成，一是由sigmoid层构成的输入门，它用来决定哪些值要更新。另一个是tanh层构成的新候选值的向量生成器，可能会被输入到cell state里面。例如，语言模型中，想要把新话题加入到cell state中替换旧话题。


接下来，前一个cellstate（输入到当前cell state）中，前面已经决定了要做什么，这里只需要一次完成就好。乘（前面讲到的forget gate的输出），然后加上，旧状态加新的候选信息，组成当前cellstate.在语言模型中，旧话题的某些特征丢掉，加入新话题的一些特征就组成了当前的话题。


最后决定要输出什么。这个输出基于cell state，但会有一个滤波过程。首先，一个sigmoid层决定哪些cell state输出，同时将cell state输入到tanh层，乘sigmoid门的输出，得到最后的输出。对于语言模型，通过输出信息去关联一个词，这个词就是句子的最后一个词。例如，这个输出指向单话题，还是复合话题，以此来决定下一个词是否成对出现（？）。


 6.    LSTM的变体上面描述的是最常见的标准LSTM，但是不是所有LSTM都是这样子的。事实上，每篇致力于LSTMs的paper所用的版本都有微小的差别，这些差别真的很小，但是其中一些是值得一提的。其中一种流行的变体由Gers和Schmidhuber提出，加入了“peepholeconnections”。这意味着，cell state也输入到门中来判别哪些丢，哪些加。


上面的框图把所有的门中都加入cell state，但有很多paper只部分加入。另一种变体用一对互斥的forget和input门，而不是独立决定丢和加。丢和加倍同时决定，也就是丢弃的值用新的输入信息替代。


还有一种更有趣的变体是GRU（GatedRecurrent Unit），由cho提出，它结合forget和input门为一个“update”门。并将cell state和hidden state合并，整个模型比LSTM简单，它也正慢慢流行起来。


以上只是一小部分的LSTM变体，还有很多其他可用的，如Depth Gated RNNs,还有一些完全不同的消除长句依赖的，如koutaik提出的cl