如何在 Keras 中解释 LSTM 层中的权重 [关闭]

Question

我目前正在使用 LSTM 层训练用于天气预报的循环神经网络。网络本身非常简单，大致如下：

model = Sequential()  
model.add(LSTM(hidden_neurons, input_shape=(time_steps, feature_count), return_sequences=False))  
model.add(Dense(feature_count))  
model.add(Activation("linear"))  

LSTM 层的权重确实具有以下形状：

for weight in model.get_weights(): # weights from Dense layer omitted
    print(weight.shape)

> (feature_count, hidden_neurons)
> (hidden_neurons, hidden_neurons)
> (hidden_neurons,)
> (feature_count, hidden_neurons)
> (hidden_neurons, hidden_neurons)
> (hidden_neurons,)
> (feature_count, hidden_neurons)
> (hidden_neurons, hidden_neurons)
> (hidden_neurons,)
> (feature_count, hidden_neurons)
> (hidden_neurons, hidden_neurons)
> (hidden_neurons,)

简而言之，这个 LSTM 层中看起来有四个“元素”。我现在想知道如何解释它们：

• 此表示中的time_steps 参数在哪里？它如何影响权重？

• 我读到 LSTM 由几个块组成，例如输入和遗忘门。如果这些在这些权重矩阵中表示，哪个矩阵属于哪个门？

• 有什么方法可以查看网络学到了什么？例如，从上一个时间步（t-1，如果我们要预测t）需要多少，从t-2 等需要多少？例如，如果我们可以从权重中读取到输入 t-5 完全不相关，将会很有趣。

非常感谢您的澄清和提示。

Answer 1

如果您使用的是 Keras 2.2.0

打印时

print(model.layers[0].trainable_weights)

你应该看到三个张量：lstm_1/kernel, lstm_1/recurrent_kernel, lstm_1/bias:0 每个张量的一个维度应该是

的乘积

4 * number_of_units

其中 number_of_units 是您的神经元数量。试试：

units = int(int(model.layers[0].trainable_weights[0].shape[1])/4)
print("No units: ", units)

这是因为每个张量包含四个 LSTM 单元的权重（按此顺序）：

i（输入）、f（遗忘）、c（单元状态）和 o（输出）

因此，为了提取权重，您可以简单地使用切片运算符：

W = model.layers[0].get_weights()[0]
U = model.layers[0].get_weights()[1]
b = model.layers[0].get_weights()[2]

W_i = W[:, :units]
W_f = W[:, units: units * 2]
W_c = W[:, units * 2: units * 3]
W_o = W[:, units * 3:]

U_i = U[:, :units]
U_f = U[:, units: units * 2]
U_c = U[:, units * 2: units * 3]
U_o = U[:, units * 3:]

b_i = b[:units]
b_f = b[units: units * 2]
b_c = b[units * 2: units * 3]
b_o = b[units * 3:]

来源：keras code

Answer 2

我可能无法回答您的所有问题，但我能做的是提供有关 LSTM 单元及其组成的不同组件的更多信息。

This post on github 提出了一种在打印参数时查看参数名称的方法：

model = Sequential()
model.add(LSTM(4,input_dim=5,input_length=N,return_sequences=True))
for e in zip(model.layers[0].trainable_weights, model.layers[0].get_weights()):
    print('Param %s:\n%s' % (e[0],e[1]))

输出看起来像：

Param lstm_3_W_i:
[[ 0.00069305, ...]]
Param lstm_3_U_i:
[[ 1.10000002, ...]]
Param lstm_3_b_i:
[ 0., ...]
Param lstm_3_W_c:
[[-1.38370085, ...]]
...

现在您可以找到here 有关这些不同权重的更多信息。 它们具有不同索引的名称 W、U、V 和 b。

• W 矩阵是将输入转换为其他一些内部值的矩阵。它们的形状为[input_dim, output_dim]。
• U 矩阵是将先前的隐藏状态转换为另一个内部值的矩阵。它们的形状为[output_dim, output_dim]。
• b 个向量是每个块的偏差。他们都有[output_dim]的形状
• V 仅用于输出门，它选择从新的内部状态输出哪些值。它有一个形状[output_dim, output_dim]

简而言之，您确实有 4 个不同的“块”（或内部层）。

• 忘记门：它根据先前的隐藏状态 (h_{t-1}) 和输入 (x) 决定要从单元的先前内部状态 (C_{t-1}) 中忘记哪些值：

  f_t = sigmoid(W_f * x + U_f * h_{t-1} + b_f)

  f_t 是一个介于 0 和 1 之间的值的向量，它将对前一个单元状态中要保留 (=1) 和要忘记 (=0) 的内容进行编码。

• 输入门：它根据之前的隐藏状态 (h_{t-1}) 和输入 (x) 来决定使用输入 (x) 中的哪些值：

  i_t = sigmoid(W_i * x + U_i * h_{t-1} + b_i )

  i_t 是一个介于 0 和 1 之间的值的向量，它将对用于更新新单元状态的值进行编码。

• 候选值：我们使用输入 (x) 和之前的隐藏状态 (h_{t-1}) 构建新的候选值来更新内部 Cell 状态：

  Ct_t = tanh( W_c * x + U_c * h_{t-1} + b_c )

  Ct_t 是一个向量，包含更新 Cell 状态 (C_{t-1}) 的潜在值。

我们使用这三个值来构建一个新的内部细胞状态（C_t）：

C_t = f_t * C_{t-1} + i_t * Ct_t

如您所见，新的内部单元状态由两部分组成：我们没有忘记上一个状态的部分，以及我们想从输入中学习的内容。

• 输出门：我们不想输出单元状态，因为它可能被视为我们想要输出的内容 (h_t) 的抽象。所以我们根据我们拥有的所有信息构建 h_t，这一步的输出：

  h_t = W_o * x + U_o * h_{t-1} + V_o * C_t + b_o

我希望这能阐明 LSTM 单元的工作原理。我邀请您阅读有关 LSTM 的教程，因为它们使用了很好的模式、分步示例等等。这是一个相对复杂的层。

关于您的问题，我现在知道如何跟踪输入中使用的内容来修改状态。您最终可以查看不同的 W 矩阵，因为它们是处理输入的矩阵。 W_c 将为您提供有关可能用于更新单元状态的信息。 W_o 可能会为您提供一些有关用于产生输出的信息...但是所有这些都将与其他权重相关，因为先前的状态也有影响。

但是，如果你在 W_c 中看到一些强大的权重，这可能没有任何意义，因为输入门 (i_t) 可能会完全关闭，从而消除细胞状态的更新......这很复杂，数学领域追溯神经网络中发生的事情确实很复杂。

对于最一般的情况，神经网络确实是黑盒子。您可以在文献中找到一些案例，它们将信息从输出追溯到输入，但这是我所读到的非常特殊的情况。

我希望这会有所帮助:-)