LSTM模型概述

LSTM(Long Short Term Memory)长短期记忆单元模型:
首先介绍一下RNN模型。之前比较熟悉的是CNN网络,但是CNN所处理的对象很大程度上是图像,但是针对自然语言处理的理解,不止对当前的输入有关,还需要记忆和关联之前输入的一些内容。打个比方:一轮明月挂在天空中。

我们可以很明确的知道空格处是天空,但是对于下面这就话,我是一名中国人,所以可以很流畅的进行中文交流。这里的空格处就需要我们记忆上文的语义才能完成。一个典型的RNN模型如下图所示:


LSTM模型是RNN模型的一种,它可以完善RNN模型的一个功能,就是当我们输入的序列或者文本过于长的情况下,能够就有较长的记忆,也就是说Long-Term Dependencies长期依赖性。
一个LSTM由一长串的gate门构成。分别是input gate(current cell state),forget gate(0:忘记之前的所有;1:通过之前的所有),output (选择输出),New memory cell(得到新的记忆单元)。基本的模型如下:

特此声明,文中所用图片来自这篇博文,希望大家参考:http://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/

### 关于LSTM模型的详细讲解 #### LSTM模型概述 LSTM(Long Short-Term Memory),即长短时记忆网络,是一种特殊的循环神经网络(RNN)变体。它通过引入复杂的内部结构来解决传统RNN在处理长时间依赖关系时容易出现的梯度消失或爆炸问题[^1]。 #### LSTM的核心组成部分 LSTM的核心结构由以下几个部分组成: - **遗忘门**:控制前一时刻的状态有多少信息被保留到当前时刻。 - **输入门**:决定当前输入的信息中有多少会被写入单元状态。 - **细胞状态**:存储长期信息的主要载体,允许信息沿时间轴流动而不受显著衰减的影响。 - **输出门**:确定细胞状态中的哪些部分会成为当前时刻的输出。 这些组件共同作用,使得LSTM能够在捕获长距离依赖的同时保持训练过程中的稳定性。 #### PyTorch中LSTM的应用 在深度学习框架PyTorch中,LSTM模块提供了便捷的接口供开发者使用。其主要参数包括`input_size`, `hidden_size`, 和`num_layers`等。对于双向LSTM(Bi-LSTM),可以通过设置参数`bidirectional=True`实现正向和反向两个方向上的信息融合[^2]。最终输出的结果形状为`(seq_len, batch_size, num_directions * hidden_size)`,其中`h_n`和`c_n`分别表示最后一个时间步的隐藏状态和细胞状态,它们的形状不会因是否启用双向模式而发生变化[^4]。 #### RNNLSTM的区别 为了更好地理解LSTM的工作机制,可以从传统的RNN入手进行比较。标准RNN虽然简单高效,但在面对较长的时间序列数据时表现不佳,因为它的权重更新过程中存在严重的梯度弥散或者激增现象。相比之下,LSTM凭借精心设计的记忆单元克服了这一缺陷,从而具备更强的学习能力[^3]。 以下是基于Python的一个基础示例展示如何利用PyTorch构建并运行简单的LSTM网络: ```python import torch from torch import nn class SimpleLSTM(nn.Module): def __init__(self, input_dim=10, hidden_dim=20, layer_num=2, output_dim=5): super(SimpleLSTM, self).__init__() self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, layer_num, bidirectional=False) self.fc = nn.Linear(hidden_dim, output_dim) def forward(self, x): lstm_out, (hn, cn) = self.lstm(x) out = self.fc(lstm_out[-1]) return out model = SimpleLSTM() print(model) ``` 此代码片段定义了一个单层非双向LSTM,并附加全连接层用于分类或其他任务预测。 --- ####
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