[深度學習]LSTM模型

長短期記憶（英語：Long Short-Term Memory，LSTM）是一種時間循環神經網路（RNN），論文首次發表於1997年。

LSTM（長短期記憶）是一種特定類型的遞歸神經網絡（RNN），在許多需要處理時間序列數據或順序數據的應用中非常有用。

以下是一些常見的 LSTM 應用：

1. 語音識別：LSTM 可以用於將語音信號轉換為文本。例如，語音助手和語音轉文字服務都使用 LSTM 網絡來處理語音數據。
2. 語言建模和文本生成：LSTM 可以預測文本序列中的下一個單詞或字符，用於自動生成文本，如編寫文章、生成對話和寫詩等。
3. 機器翻譯：LSTM 在翻譯系統中廣泛使用，例如 Google 翻譯，它能夠將一種語言的句子翻譯成另一種語言。
4. 情感分析：LSTM 用於從文本中檢測情感，如分析社交媒體帖子、評論和客戶反饋中的情感。
5. 時間序列預測：LSTM 可以用於預測時間序列數據中的未來值，例如股票價格、天氣預測和銷售數據預測。
6. 醫療診斷：LSTM 用於分析患者的醫療數據，以檢測和預測疾病的發展。
7. 音樂生成：LSTM 可以學習音樂的結構並生成新音樂，例如自動作曲。
8. 手寫識別：LSTM 用於識別手寫文字，例如手寫數據的數字化輸入。

典型的長短期記憶（LSTM）單元模型

LSTM Cell 的結構和運作

LSTM Cell 主要由三個門（gate）組成：遺忘門（Forget Gate），輸入門（Input Gate）和輸出門（Output Gate）。這些門控制信息在記憶細胞中的流動。以下是每個門的詳細說明：

1. 遺忘門（Forget Gate）：
2. • 計算公式：

1. • 功能：決定需要忘記多少先前的記憶。通過 sigmoid 函數 σ，輸出一個0到1之間的數值，0表示完全忘記，1表示完全保留。
1. 輸入門（Input Gate）：
2. • 計算公式：

1. • 功能：決定將多少新的信息存入記憶細胞。輸入門的 sigmoid 函數輸出 iti_tit​，以及候選記憶細胞的 tanh 函數輸出 ~Ct。
1. 輸出門（Output Gate）：
2. • 計算公式：

1. • 功能：決定從記憶細胞輸出多少信息作為當前的隱藏狀態 ht​。通過 sigmoid 函數計算 Ot​，再經過 tanh 函數處理當前的記憶細胞狀態 Ct​。

LSTM Cell 運作步驟

紅色箭頭主要表達了記憶細胞狀態和隱藏狀態之間的交互過程，展示了記憶細胞狀態 Ct​ 如何被計算並進一步影響隱藏狀態 ht。這些步驟是LSTM Cell核心的記憶和輸出機制。

LSTM Cell 的優勢

LSTM Cell 的設計使其能夠有效地處理長期依賴問題，記住長時間跨度內的信息，同時在每一時間步中根據需要添加或刪除信息。這使得 LSTM 在處理時間序列數據和自然語言處理任務（如語音識別、語言翻譯等）中非常有用。

總結來說，圖片中展示的模型是一個 LSTM Cell，主要由遺忘門、輸入門和輸出門組成，這些門共同作用，控制信息在記憶細胞中的流動和更新。

參考文獻