雷锋网按：本文转载自 Magicly 博客，获作者授权。阅读原文请见：;utm_medium=referral。
Magicly：之前翻译了一篇介绍RNN的文章，一直没看到作者写新的介绍LSTM的blog，于是我又找了其他资料学习。本文先介绍一下LSTM，然后用LSTM在金庸、古龙的人名上做了训练，可以生成新的武侠名字，如果有兴趣的，还可以多搜集点人名，用于给小孩儿取名呢，哈哈，justforfun，大家玩得开心…
RNN回顾
RNN的出现是为了解决状态记忆的问题，解决方法很简单，每一个时间点t的隐藏状态h(t)不再简单地依赖于数据，还依赖于前一个时间节点t-1的隐藏状态h(t-1)。可以看出这是一种递归定义（所以循环神经网络又叫递归神经网络Recursive Neural Network），h(t-1)又依赖于h(t-2)，h(t-2)依赖于h(t-3)…所以h(t)依赖于之前每一个时间点的输入，也就是说h(t)记住了之前所有的输入。
上图如果按时间展开，就可以看出RNN其实也就是普通神经网络在时间上的堆叠。
RNN问题：Long-Term Dependencies
一切似乎很完美，但是如果h(t)依赖于h(t - 1000)，依赖路径特别长，会导致计算梯度的时候出现梯度消失的问题，训练时间很长根本没法实际使用。下面是一个依赖路径很长的例子：
1 我老家【成都】的。。。【此处省去500字】。。。我们那里经常吃【火锅】。。。
LSTM
Long Short Term Memory神经网络，也就是LSTM，由 Hochreiter & Schmidhuber于1997年发表。它的出现就是为了解决Long-Term Dependencies的问题，很来出现了很多改进版本，目前应用在相当多的领域（包括机器翻译、对话机器人、语音识别、Image Caption等）。
标准的RNN里，重复的模块里只是一个很简单的结构，如下图：
LSTM也是类似的链表结构，不过它的内部构造要复杂得多：
上图中的图标含义如下：
LSTM的核心思想是cell state（类似于hidden state，有LSTM变种把cell state和hidden state合并了， 比如GRU）和三种门：输入门、忘记门、输出门。
cell state每次作为输入传递到下一个时间点，经过一些线性变化后继续传往再下一个时间点（我还没看过原始论文，不知道为啥有了hidden state后还要cell state，好在确实有改良版将两者合并了，所以暂时不去深究了）。
门的概念来自于电路设计（我没学过，就不敢卖弄了）。LSTM里，门控制通过门之后信息能留下多少。如下图，sigmoid层输出[0, 1]的值，决定多少数据可以穿过门， 0表示谁都过不了，1表示全部通过。
下面我们来看看每个“门”到底在干什么。
首先我们要决定之前的cell state需要保留多少。 它根据h(t-1)和x(t)计算出一个[0, 1]的数，决定cell state保留多少，0表示全部丢弃，1表示全部保留。为什么要丢弃呢，不是保留得越多越好么？假设LSTM在生成文章，里面有小明和小红，小明在看电视，小红在厨房做饭。如果当前的主语是小明， ok，那LSTM应该输出看电视相关的，比如找遥控器啊， 换台啊，如果主语已经切换到小红了， 那么接下来最好暂时把电视机忘掉，而输出洗菜、酱油、电饭煲等。
第二步就是决定输入多大程度上影响cell state。这个地方由两部分构成， 一个用sigmoid函数计算出有多少数据留下，一个用tanh函数计算出一个候选C(t)。 这个地方就好比是主语从小明切换到小红了， 电视机就应该切换到厨房。
然后我们把留下来的（t-1时刻的）cell state和新增加的合并起来，就得到了t时刻的cell state。
最后我们把cell state经过tanh压缩到[-1, 1]，然后输送给输出门（[0, 1]决定输出多少东西）。
现在也出了很多LSTM的变种， 有兴趣的可以看这里。另外，LSTM只是为了解决RNN的long-term dependencies，也有人从另外的角度来解决的，比如Clockwork RNNs by Koutnik, et al. (2014).
show me the code!
我用的Andrej Karpathy大神的代码， 做了些小改动。这个代码的好处是不依赖于任何深度学习框架，只需要有numpy就可以马上run起来！
"""
Minimal character-level Vanilla RNN model. Written by Andrej Karpathy (@karpathy)
BSD License
"""
import numpy as np
# data I/O
data = open('in;, 'r').read # should be simple plain text file
all_names = se("\n"))
chars = list(set(data))
data_size, vocab_size = len(data), len(chars)
print('data has %d characters, %d unique.' % (data_size, vocab_size))
char_to_ix = {ch: i for i, ch in enumerate(chars)}
ix_to_char = {i: ch for i, ch in enumerate(chars)}
# print(char_to_ix, ix_to_char)
# hyperparameters
hidden_size = 100 # size of hidden layer of neurons
seq_length = 25 # number of steps to unroll the RNN for
learning_rate = 1e-1
# model parameters
Wxh = np.random.randn(hidden_size, vocab_size) * 0.01 # input to hidden
Whh = np.random.randn(hidden_size, hidden_size) * 0.01 # hidden to hidden
Why = np.random.randn(vocab_size, hidden_size) * 0.01 # hidden to output
bh = np.zeros((hidden_size, 1)) # hidden bias
by = np.zeros((vocab_size, 1)) # output bias
def lossFun(inputs, targets, hprev):
"""
inputs,targets are both list of integers.
hprev is Hx1 array of initial hidden state
returns the loss, gradients on model parameters, and last hidden state
"""
xs, hs, ys, ps = {}, {}, {}, {}
hs[-1] = np.copy(hprev)
loss = 0
# forward pass
for t in range(len(inputs)):
xs[t] = np.zeros((vocab_size, 1)) # encode in 1-of-k representation
xs[t][inputs[t]] = 1
hs[t] = np.tan(Wxh, xs[t]) + np.dot(Whh,
hs[t - 1]) + bh) # hidden state
# unnormalized log probabilities for next chars
ys[t] = np.dot(Why, hs[t]) + by
# probabilities for next chars
ps[t] = np.exp(ys[t]) / np.sum(ys[t]))
loss += -np.log(ps[t][targets[t], 0]) # softmax (cross-entropy loss)
# backward pass: compute gradients going backwards
dWxh, dWhh, dWhy = np.zeros_like(
Wxh), np.zeros_like(Whh), np.zeros_like(Why)
dbh, dby = np.zeros_like(bh), np.zeros_like(by)
dhnext = np.zeros_like(hs[0])
for t in reversed(range(len(inputs))):
dy = np.copy(ps[t])
# backprop into y. see
# if confused
# here
dy[targets[t]] -= 1
dWhy += np.dot(dy, hs[t].T)
dby += dy
dh = np.do, dy) + dhnext # backprop into h
dhraw = (1 - hs[t] * hs[t]) * dh # backprop through tanh nonlinearity
dbh += dhraw
dWxh += np.dot(dhraw, xs[t].T)
dWhh += np.dot(dhraw, hs[t - 1].T)
dhnext = np.do, dhraw)
for dparam in [dWxh, dWhh, dWhy, dbh, dby]:
# clip to mitigate exploding gradients
np.clip(dparam, -5, 5, out=dparam)
return loss, dWxh, dWhh, dWhy, dbh, dby, hs[len(inputs) - 1]
def sample(h, seed_ix, n):
"""
sample a sequence of integers from the model
h is memory state, seed_ix is seed letter for first time step
"""
x = np.zeros((vocab_size, 1))
x[seed_ix] = 1
ixes =
for t in range(n):
h = np.tan(Wxh, x) + np.dot(Whh, h) + bh)
y = np.dot(Why, h) + by
p = np.exp(y) / np.sum(y))
ix = np.random.choice(range(vocab_size), p=p.ravel)
x = np.zeros((vocab_size, 1))
x[ix] = 1
ixes.append(ix)
return ixes
n, p = 0, 0
mWxh, mWhh, mWhy = np.zeros_like(Wxh), np.zeros_like(Whh), np.zeros_like(Why)
mbh, mby = np.zeros_like(bh), np.zeros_like(by) # memory variables for Adagrad
smooth_loss = -np.log / vocab_size) * seq_length # loss at iteration 0
while True:
# prepare inputs (we're sweeping from left to right in steps seq_length
# long)
if p + seq_length + 1 >= len(data) or n == 0:
hprev = np.zeros((hidden_size, 1)) # reset RNN memory
p = 0 # go from start of data
inputs = [char_to_ix[ch] for ch in data[p:p + seq_length]]
targets = [char_to_ix[ch] for ch in data[p + 1:p + seq_length + 1]]
# sample from the model now and then
if n % 100 == 0:
sample_ix = sample(hprev, inputs[0], 200)
txt = ''.join(ix_to_char[ix] for ix in sample_ix)
print('----\n %s \n----' % (txt, ))
# forward seq_length characters through the net and fetch gradient
loss, dWxh, dWhh, dWhy, dbh, dby, hprev = lossFun(inputs, targets, hprev)
smooth_loss = smooth_loss * 0.999 + loss * 0.001
if n % 100 == 0:
print('iter %d, loss: %f' % (n, smooth_loss)) # print progress
# perform parameter update with Adagrad
for param, dparam, mem in zip([Wxh, Whh, Why, bh, by],
[dWxh, dWhh, dWhy, dbh, dby],
[mWxh, mWhh, mWhy, mbh, mby]):
mem += dparam * dparam
param += -learning_rate * dparam / \
np.sqrt(mem + 1e-8) # adagrad update
p += seq_length # move data pointer
n += 1 # iteration counter
if ((smooth_loss = 20000)):
sample_ix = sample(hprev, inputs[0], 2000)
txt = ''.join(ix_to_char[ix] for ix in sample_ix)
predicted_names = se("\n"))
new_names = predicted_names - all_names
print(new_names)
print('predicted names len: %d, new_names len: %d.\n' % (len(predicted_names), len(new_names)))
break
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然后从网上找了金庸小说的人名，做了些预处理，每行一个名字，保存到in里，运行代码就可以了。古龙的没有找到比较全的名字， 只有这份武功排行榜，只有100多人。
下面是根据两份名单训练的结果，已经将完全一致的名字（比如段誉）去除了，所以下面的都是LSTM“新创作发明”的名字哈。来， 大家猜猜哪一个结果是金庸的， 哪一个是古龙的呢？
{'姜曾铁', '袁南兰', '石万奉', '郭万嗔', '蔡家', '程伯芷', '汪铁志', '陈衣', '薛铁','哈赤蔡师', '殷飞虹', '钟小砚', '凤一刀', '宝兰', '齐飞虹', '无若之', '王老英', '钟','钟百胜', '师', '李沅震', '曹兰', '赵一刀', '钟灵四', '宗家妹', '崔树胜', '桑飞西','上官公希轰', '刘之余人童怀道', '周云鹤', '天', '凤', '西灵素', '大智虎师', '阮徒忠','王兆能', '袁铮衣商宝鹤', '常伯凤', '苗人大', '倪不凤', '蔡铁', '无伯志', '凤一弼','曹鹊', '黄宾', '曾铁文', '姬胡峰', '李何豹', '上官铁', '童灵同', '古若之', '慕官景岳','崔百真', '陈官', '陈钟', '倪调峰', '妹沅刀', '徐双英', '任通督', '上官铁褚容', '大剑太','胡阳', '生', '南仁郑', '南调', '石双震', '海铁山', '殷鹤真', '司鱼督', '德小','若四', '武通涛', '田青农', '常尘英', '常不志', '倪不涛', '欧阳', '大提督', '胡玉堂','陈宝鹤', '南仁通四蒋赫侯'}
{'邀三', '熊猫开', '鹰星', '陆开', '花', '薛玉罗平', '南宫主', '南宫九', '孙夫人','荆董灭', '铁不愁', '裴独', '玮剑', '人', '陆小龙王紫无牙', '连千里', '仲先生','俞白', '方大', '叶雷一魂', '独孤上红', '叶怜花', '雷大归', '恕飞', '白双发','邀一郎', '东楼', '铁中十一点红', '凤星真', '无魏柳老凤三', '萧猫儿', '东郭先凤','日孙', '地先生', '孟摘星', '江小小凤', '花双楼', '李佩', '仇珏', '白坏刹', '燕悲情','姬悲雁', '东郭大', '谢晓陆凤', '碧玉伯', '司实三', '陆浪', '赵布雁', '荆孤蓝','怜燕南天', '萧怜静', '龙布雁', '东郭鱼', '司东郭金天', '薛啸天', '熊宝玉', '无莫静','柳罗李', '东官小鱼', '渐飞', '陆地鱼', '阿吹王', '高傲', '萧十三', '龙童', '玉罗赵','谢郎唐傲', '铁夜帝', '江小凤', '孙玉玉夜', '仇仲忍', '萧地孙', '铁莫棠', '柴星夫','展夫人', '碧玉', '老无鱼', '铁铁花', '独', '薛月宫九', '老郭和尚', '东郭大路陆上龙关飞','司藏', '李千', '孙白人', '南双平', '王玮', '姬原情', '东郭大路孙玉', '白玉罗生', '高儿','东珏天', '萧王尚', '九', '凤三静', '和空摘星', '关吹雪', '上官官小凤', '仇上官金飞','陆上龙啸天', '司空星魂', '邀衣人', '主', '李寻欢天', '东情', '玉夫随', '赵小凤', '东郭灭', '邀祟厚', '司空星'}
感兴趣的还可以用古代诗人、词人等的名字来做训练，大家机器好或者有时间的可以多训练下，训练得越多越准确。
总结
RNN由于具有记忆功能，在NLP、Speech、Computer Vision等诸多领域都展示了强大的力量。实际上，RNN是图灵等价的。
1 If training vanilla neural nets is optimization over functions, training recurrent nets is optimization over programs.
LSTM是一种目前相当常用和实用的RNN算法，主要解决了RNN的long-term dependencies问题。另外RNN也一直在产生新的研究，比如Attention机制。有空再介绍咯。。。
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