RNN--长短期记忆(Long Short Term Memory, LSTM)

长短期记忆(Long Short Term Memory, LSTM)

  是一种 RNN 特殊的类型，可以学习长期依赖信息。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 单元和普通 RNN 单元的区别

  在标准的 RNN 中，这个重复的模块只有一个非常简单的结构，例如一个 tanh 层。LSTM 同样是这样的结构，但是重复的模块拥有一个不同的结构，重复模块包含四个交互的gate。
  主要大的区别是，采用一个叫 “细胞状态（state）” 的通道贯穿了整个时间序列。通过精心设计的称作 “门” 的结构来去除或增加信息到细胞状态的能力。

组成部分

  1）" 忘记门”；
  2）“输入门” 的打开关闭也是由当前输入和上一个时间点的输出决定的。
  3）“输出门”，控制输出多少，最终仅仅会输出确定输出的那部分。
  4）状态门：让几个 “门” 的输入数据除了正常的输入数据和上一个时刻的输出以外，再接受 “细胞状态” 的输入。

各种各样的LSTM

  为了得到更好的建模能力，一种流行的做法是将 LSTM 层堆叠起来。但带有太多 vanilla LSTM 层的 LSTM-RNN 非常难以训练，而且如果网络太深，还会有梯度消失问题。这个问题可以使用 highway LSTM 或 residual LSTM 解决。
  1）在 highway LSTM中，相邻层的记忆单元通过门控的直接链路连接在一起，这为信息提供了一种在层之间更直接且不衰减地流动的路径。

  2）residual LSTM在 LSTM 层之间使用了捷径连接（shortcut connection），因此也提供了一种缓解梯度消失问题的方法。

  3）二维时频 LSTM（2-D, time-frequency (TF) LSTM），可以在时间和频率轴上对语音输入进行联合扫描，以对频谱时间扭曲（spectro-temporal warping）建模，然后再将其输出的激活（activation）用作传统的时间 LSTM 的输入。这种时间-频率联合建模能为上层的时间 LSTM 提供更好的规范化的特征。

  4）网格 LSTM（Grid LSTM）是一种将 LSTM 记忆单元排布成多维网格的通用 LSTM，可以被看作是一种将 LSTM 用于时间、频谱和空间计算的统一方法。

  5）尽管双向 LSTM（BLSTM）：通过使用过去和未来的语境信息能得到比单向 LSTM 更好的表现，但它们并不适合实时系统，因为这需要在观察到整个话语之后才能进行识别。因为这个原因，延迟受控 BLSTM（LC-BLSTM）[29] 和行卷积 BLSTM（RC-BLSTM）等模型被提了出来，这些模型构建了单向 LSTM 和 BLSTM 之间的桥梁。在这些模型中，前向 LSTM 还是保持原样。但反向 LSTM 会被替代——要么被带有最多 N 帧前瞻量的反向 LSTM（如 LC-BLSTM 的情况）替代，要么被集成了 N 帧前瞻量中的信息的行卷积替代。