長短期記憶人工神經網路

短憶網路（Long-Short Term Memory,LSTM）論文首次發表於1997年。由於獨特的設計結構，LSTM適合於處理和預測時間序列中間隔和延遲非常長的重要事件。

遞歸網路及隱馬爾科夫模型（HMM）更好，比如用在不分段連續手寫識別上。2009年，用LSTM構建的人工神經網路模型贏得過ICDAR手寫識別比賽冠軍。LSTM還普遍用於自主語音識別，2013年運用TIMIT自然演講資料庫達成17.7%錯誤率的紀錄。作為非線性模型，LSTM可作為複雜的非線性單元用於構造更大型深度神經網路。

含區塊（）類網路，獻資料區塊描述智網路單元，憶值，區塊夠決否及輸。

右圖底下是四個S函數單元，最左邊函數依情況可能成為區塊的input，右邊三個會經過gate決定input是否能傳入區塊，左邊第二個為input gate，如果這裡產出近似於零，將把這裡的值擋住，不會進到下一層。左邊第三個是forget gate，當這產生值近似於零，將把區塊里記住的值忘掉。第四個也就是最右邊的input為output gate，他可以決定在區塊記憶中的input是否能輸出。

LSTM有很多個版本，其中一個重要的版本是GRU（Gated Recurrent Unit），根據谷歌的測試表明，LSTM中最重要的是Forget gate，其次是Input gate，最次是Output gate。

為了最小化訓練誤差，梯度下降法（Gradient descent）如：應用時序性倒傳遞演演算法，可用來依據錯誤修改每次的權重。梯度下降法在遞迴神經網路（RNN）中主要的問題初次在1991年發現，就是誤差梯度隨著事件間的時間長度成指數般的消失。當設置了LSTM 區塊時，誤差也隨著倒回計算，從output影響回input階段的每一個gate，直到這個數值被過濾掉。因此正常的倒傳遞類神經是一個有效訓練LSTM區塊記住長時間數值的方法。

以下代碼展示了在tensorflow中實現使用LSTM結構的循環神經網路的前向傳播過程。

LSTM網路的變體：雙向循環神經網路和深層循環神經網路

雙向循環神經網路的主體結構是由兩個單向循環神經網路組成的。在每一個時刻t，輸入會同時提供給這兩個方向相反的循環神經網路，而輸出則是由這兩個單向循環神經網路共同決定。其結構如下圖一所示：

六個權值分別對應：輸入到向前和向後隱含層（w1, w3），隱含層到隱含層自己（w2, w5），向前和向後隱含層到輸出層（w4, w6）。值得注意的是：向前和向後隱含層之間沒有信息流，這保證了展開圖是非循環的。

深層循環神經網路：為了增強模型的表達能力，該網路在每一個時刻上將循環體結構複製多次，每一層的循環體中參數是一致的，而不同層中的參數可以不同。其結構如下圖二所示：

tensorflow中提供了MultiRNNCell類來實現深層循環神經網路的前向傳播過程。代碼如下：