一文读懂LSTM和GRU

1.简介

LSTM与GRU的存在是为了解决简单RNN面临的长期依赖问题(由于反向传播存在的梯度消失或爆炸问题,简单RNN很难建模长距离的依赖关系),一种比较有效的方案是在RNN基础上引入门控机制来控制信息的传播。

2.LSTM

LSTM通过sigmod函数引入了三个门来控制信息的传递,分别是遗忘门ft,输入门it和输出门ot。三个门的作用为:

(1)遗忘门 ft控制上一时刻的内部状态c(t-1)需要遗忘多少信息;

(2)输入门 it 控制当前时刻的候选状态 c(t)有多少信息需要保存;

(3)输出门ot控制当前时刻的内部状态C(t) 有多少信息需要输出给外部状态 h(t) ;
在这里插入图片描述
公式:
在这里插入图片描述

  1. 第一步是决定我们从“细胞”中丢弃什么信息,这个操作由一个忘记门层来完成。该层读取当前输入x和前神经元信息h,由ft来决定丢弃的信息。输出结果1表示“完全保留”,0 表示“完全舍弃”。
  2. 第二步是确定细胞状态所存放的新信息,这一步由两层组成。sigmoid层作为“输入门层”,决定我们将要更新的值i;tanh层来创建一个新的候选值向量C(t)加入到状态中。
  3. 第三步就是更新旧细胞的状态,将C(t-1)更新为C(t) 。我们把旧状态与f(t)相乘,丢弃掉我们确定需要丢弃的信息。接着加上i(t)*C(t)。这就是新的候选值,根据我们决定更新每个状态的程度进行变化。
  4. 最后一步就是确定输出了,这个输出将会基于我们的细胞状态,但是也是一个过滤后的版本。首先,我们运行一个 sigmoid 层来确定细胞状态的哪个部分将输出出去。接着,我们把细胞状态通过 tanh 进行处理(得到一个在 -1 到 1 之间的值)并将它和 sigmoid 门的输出相乘,最终我们仅仅会输出我们确定输出的那部分。

为什么LSTM 可以缓解梯度消失的问题

根据此公式
在这里插入图片描述
LSTM的cell state反向传播的公式:
在这里插入图片描述

这只是一步的推导,如果是多个时间步,就是多个类似公式的累乘。从这一步的结果中我们可以发现,其结果的取值范围并不一定局限在[0,1]中,而是有可能大于1的。

那么什么情况下大于1?
  这个由LSTM自身的权值决定,那权值从何而来?当然是学习得到的,这便是LSTM牛逼之处,依靠学习得到权值去控制依赖的长度,这便是LSTM缓解梯度消失的真相。综上可以总结为两个事实:

1、cell state传播函数中的“加法”结构确实起了一定作用,它使得导数有可能大于1;
   2、LSTM中逻辑门的参数可以一定程度控制不同时间步梯度消失的程度。

最后,LSTM依然不能完全解决梯度消失这个问题,有文献表示序列长度一般到了三百多仍然会出现梯度消失现象。如果想彻底规避这个问题,还是transformer好用。

3.GRU

GRU作为LSTM的一种变体,将忘记门和输入门合成了一个单一的更新门。同样还混合了细胞状态和隐藏状态,加诸其他一些改动。最终的模型比标准的 LSTM 模型要简单,也是非常流行的变体。
在这里插入图片描述
(1)更新门z(t):控制当前状态 h(t)需要从上一时刻状态h(t-1)中保留多少信息(不经过非线性变换),以及需要从候选状态h~(t)中接受多少信息;

(2)重置门r(t) :用来控制候选状态的计算h~(t)是否依赖上一时刻状态 h(t-1)。
GRU直接使用更新门来控制输入和遗忘的平衡

4.总结

对于 LSTM 与 GRU 而言, 由于 GRU 参数更少,收敛速度更快,因此其实际花费时间要少很多,这可以大大加速了我们的迭代过程。 而从表现上讲,二者之间孰优孰劣并没有定论,这要依据具体的任务和数据集而定,而实际上,二者之间的 performance 差距往往并不大,远没有调参所带来的效果明显,与其争论 LSTM 与 GRU 孰优孰劣, 不如在 LSTM 或 GRU的激活函数(如将tanh改为tanh变体)和权重初始化上功夫。

### LSTM GRU 的差异、优缺点及适用场景 #### 结构上的主要差异 LSTM GRU 都属于递归神经网络(RNN)的改进版本,用于解决传统 RNN 中存在的梯度消失问题以及更好地捕获长时间依赖关系。然而,在结构设计上存在显著的不同。 - **LSTM** 使用三个门控机制来控制信息流:输入门、遗忘门输出门。这些门通过 sigmoid 层决定哪些部分的信息应该被保留或丢弃,并通过 tanh 层引入新的候选值[^3]。 - **GRU** 则简化了这一过程,仅包含两个门:更新门 \( z(t) \) 重置门 \( r(t) \),并去除了单独的状态存储单元,将隐藏状态 \( h(t) \) 与细胞状态合并为单一向量[^2]。 这种架构上的精简使得 GRU 计算更加高效且消耗更少资源[^2]。 #### 性能比较及其优劣分析 | 特性 | LSTM | GRU | |---------------------|------------------------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------| | **复杂程度** | 更加复杂的内部结构 | 较简单的两层门控设计 | | **参数数量** | 参数较多 | 参数较少 | | **训练速度** | 相对较慢 | 显著更快 | | **内存需求** | 占用更多 | 占用较少 | 尽管如此, 实验表明在许多应用场景下二者最终效果相差无几; 不过当面对特别强调远距离上下文关联的任务时,LSTM往往能够提供更为优越的表现因为其具备更强的记忆能力可以有效应对较长序列中的模式识别挑战[^1]. 另外值得注意的是由于gru减少了不必要的冗余操作所以在硬件条件有限或者追求实时响应的情况下会成为更好的选择. #### 应用场景建议 对于那些需要精确建模非常长的时间跨度内的相互作用的数据集来说,lstm可能是首选方案比如机器翻译等涉及大量词汇间联系的工作当中.而如果目标是在保持良好预测精度的同时降低计算成本提高运行效率那么就应该考虑采用gru作为解决方案之一特别是在移动设备端部署ai模型之类的场合尤为合适. ```python import torch.nn as nn class LSTMModel(nn.Module): def __init__(self, input_size, hidden_size, num_layers, output_size): super(LSTMModel, self).__init__() self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True) # Define forward pass... class GRUModel(nn.Module): def __init__(self, input_size, hidden_size, num_layers, output_size): super(GRUModel, self).__init__() self.gru = nn.GRU(input_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True) # Define forward pass... ``` 以上展示了如何利用 PyTorch 创建基本的 LSTM GRU 模型框架的例子.
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值