|
LSTM - долгая краткосрочная памятьРассмотренная простейшая рекуррентная НС – это не самая лучшая архитектура. Основным ее недостатком является быстрое «забывание» прошлого контекста. А иногда он важен. Например, такой текст: Я очень люблю программировать, …, поэтому в будущем хочу стать программистом. Смотрите, здесь вначале упоминается любовь к программированию, а затем идут какие-то отвлеченные слова. И только в конце снова появляется слово «программистом», связанное по смыслу с программированием. Так вот, чтобы сеть имела возможность спрогнозировать это слово, исходя из контекста, она должна четко схватывать нужный прошлый контекст и не обращать внимания на второстепенный. Простейшая архитектура RNN плохо учитывает такие моменты. Она, как правило, все смешивает в одну кучу и то, что встречалось вначале быстро теряется. Хотя, исследователи говорят, что это скорее недостаток алгоритма обучения, а не архитектуры. Было показано на простых задачах, что теоретически веса можно настроить так, чтобы сеть корректно учитывала даже длинный и сложный контекст. Но на практике этого достичь не удается. Поэтому в 1997 году Зеппом Хохрайтер и Юргеном Шмидхубером (Jürgen Schmidhuber) была предложена другая архитектура известная под названием «долгая краткосрочная память»: LSTM (Long short-term memory) которая при обучении способна схватывать существенные детали прошлого контекста и сохранять их, пока они актуальны. Эта архитектура была основной «рабочей лошадкой» рекуррентных сетей вплоть до 2017 года. И сегодня остается весьма востребованной во многих прикладных задачах. Давайте с ней познакомимся поближе. В базовом исполнении рекуррентный блок LSTM выглядит следующим образом (эти блоки еще называют ячейками):
Давайте теперь разберем принцип работы этой ячейки. Отличительной чертой архитектуры LSTM является наличие вот этой верхней трубы, по которой, как бы движется вектор контекста:
Благодаря ее
наличию LSTM-блок имеет
возможность сохранять и передавать долгосрочный контекст дальше по рекурсии. Естественно,
возникают вопросы: как и почему при поэлементном умножении происходит забывание
чего-то ненужного, а при поэлементном сложении – запоминание чего-то нового? Сначала
разберемся с забыванием. На вход операции умножения поступают два вектора: один
Из этого рисунка
видно, что вектор
Здесь
И при
поэлементном умножении из вектора Теперь
посмотрим, как происходит обновление контекста при поэлементном сложении. То,
что сеть будет добавлять, формируется по только что описанному принципу.
Сначала вычисляется оценочный вектор и вектор контекста для текущего элемента
а, затем, они поэлементно умножаются:
Благодаря этому
умножению из вектора добавочного контекста будет удаляться ненужная для
долгосрочного запоминания информация. И, далее, сформированный вектор
Так в блоке LSTM меняется долгосрочный контекст от итерации к итерации. Наконец,
последний этап работы блока – это формирование выходного скрытого состояния
Принцип все тот же, сначала формируется оценочный вектор с помощью полносвязного слоя с сигмоидальной функцией активации:
Далее, вектор
долгосрочного контекста (памяти)
Формально все работает вот так. Но, чтобы лучше понять функционирование этого блока, рассмотрим простой гипотетический пример. Предположим, мы создаем сеть для прогнозирования следующего слова. И на вход подается предложение (по одному слову за итерацию): Я очень люблю программировать, программирование – это круто, поэтому в будущем хочу стать программистом. Правильно
обученная LSTM-сеть запомнит в
долгосрочном контексте сначала слово «программировать». Далее, будет встречено
следующее подобное слово «программирование». Так как это одно и то же слово, но
в другой форме, то вектор контекста Конечно, слушая о порядке работы блока LSTM и описание примера, невольно напрашивается вопрос: а почему сеть будет работать именно так, как мы хотим, как мы задумываем? Почему бы после корректного обучения ей не работать как-то иначе, по другим принципам, используя ту же самую архитектуру? Здесь есть одна «великая магия». Элементы LSTM-блока при обучении будут приобретать те признаки, которым их легче обучить. Например, гораздо проще реализовать «забывание» контекста через умножение, чем через сложение, поэтому именно умножение в итоге будет отвечать за «забывание». А сложение – за добавление чего-то нового. Здесь разделение обязанностей происходит по принципу: где проще, там и делается. Это как вода, которая течет по своему руслу. Ей же никто не говорил течь именно так, по ложбинке? Это определяется законами физики, гравитацией, в результате которой мы наблюдаем именно такое ее поведение – ей «проще» течь по руслу, чем по холмам. Также и весовые коэффициенты НС приобретают функциональность, которую им проще реализовать. В результате, архитектура LSTM работает в целом так, как задумано ее создателями. На самом деле вся эта магия хорошо сочетается с алгоритмом градиентного спуска и если детально разобрать процесс обучения НС, то это станет вполне очевидным фактом. Мы рассмотрели с вами лишь базовую (простейшую) архитектуру LSTM-блока. На практике применяют разные их разновидности. Но все они работают по похожему принципу. На следующем занятии мы продолжим эту тему и рассмотрим решение задачи сентимент-анализа коротких текстовых сообщений с помощью архитектуры LSTM. Видео по теме |
- вектор
контекста, а второй - 
-
оценочный вектор:
- весовые
коэффициенты этого слоя; 
-
объединенный вектор из двух векторов; 
- смещение
(биас); 
- сигмоидальная
функция (на выходе дает диапазон [0; 1]). В результате, вектор 
и
предыдущего скрытого состояния 
:
поэлементно
сложится с вектором 
:
нормируется,
проходя поэлементно через функцию tanh – гиперболический
тангенс. На выходе получим значения в диапазоне [-1; 1]. Затем, эти
нормированные величины поэлементно умножаются на оценочный вектор и формируется
вектор скрытого состояния текущей итерации:
