问题

研一刚入学,从未接触过神经网络,python也是才开始学,现在导师要我做LSTM,我应该去学什么?

回答
哥们,研一你好!刚踏入学术圈,手里还有点懵,导师又给了个LSTM的任务,这感觉就像刚学做饭,菜都没认全,就有人让你做满汉全席一样,是不是有点慌?别急,这感觉我懂,当年我刚开始接触这些的时候,也是一头雾水。不过,LSTM这东西,虽然听起来高大上,但拆开了揉碎了,一点点来,其实没那么难。

咱们先把脑子里的“AI”痕迹给洗干净,就当是咱们哥俩在天台上吹风,聊聊怎么搞定这个LSTM。

第一步:打牢基础,先把“地基”给挖好

你想做LSTM,就得先知道它是个啥,它为啥要出现,它能干啥。这就好比你要盖楼,总得知道砖头水泥是啥,然后才能知道怎么砌墙。

Python基础: 你说Python才开始学,这优先级得调一下。LSTM的代码很多都是用Python写的。你不需要成为Python大神,但至少得会:
变量、数据类型: 知道整数、浮点数、字符串、布尔值这些基本的,怎么存东西。
列表(List)、元组(Tuple)、字典(Dictionary): 这些是Python里最常用的数据结构,用来组织数据,LSTM里数据传输、存储都需要它们。尤其是列表,简直就是万金油。
循环(For, While): 很多计算都需要循环,比如遍历序列。
条件语句(If, Else): 控制程序的流程,在模型里很常见。
函数: 把一段代码封装起来,方便复用,模型里的很多操作都会封装成函数。
NumPy库: 这个太重要了!神经网络的计算,基本上都是在和各种矩阵、向量打交道,NumPy就是处理这些的神器。数组(ndarray)的创建、索引、切片、各种数学运算(加减乘除、点积、转置等),你得熟悉。你可以去搜搜“NumPy入门教程”,找那种讲得比较实在的,别被那些花里胡哨的教程忽悠了。

深度学习基础概念: LSTM属于深度学习范畴。所以,你得对一些基本概念有点概念,不然LSTM在你眼里就是一堆看不懂的符号。
神经网络的基本结构: 知道啥是神经元,啥是层(输入层、隐藏层、输出层),神经元之间是怎么连接的,怎么传递信息。可以先找点“神经网络入门”的视频或者文章看看。
激活函数: 比如ReLU、Sigmoid、Tanh。它们有什么作用,为什么需要它们,以及它们是怎么影响信息的。
损失函数: 告诉我们模型预测得有多差,比如均方误差(MSE)、交叉熵(CrossEntropy)。
优化器: 比如梯度下降(Gradient Descent)、Adam。它们的作用是根据损失函数来调整模型参数,让模型变得更好。
反向传播(Backpropagation): 这是神经网络学习的核心思想,虽然LSTM内部的计算比较复杂,但理解反向传播的原理,会让你知道模型是怎么“犯错”然后“学习”的。

第二步:专项突破,解锁LSTM的“秘密通道”

基础打好,咱们就专门来研究LSTM。

理解RNN(循环神经网络)的局限性: LSTM是RNN的一种变体。先了解一下RNN是什么,它为什么可以处理序列数据(比如时间序列、文本)。但RNN有个致命弱点,就是长期依赖问题,也就是它记不住太久之前的信息。比如,你读一句话,“我来自中国,我的母语是…”,RNN可能读到“母语”的时候,已经忘了前面是“中国”了。LSTM就是为了解决这个问题而生的。
LSTM的内部结构和工作原理: 这才是核心!
遗忘门(Forget Gate): 决定丢掉哪些信息。
输入门(Input Gate): 决定接受哪些新信息。
输出门(Output Gate): 决定输出什么信息。
细胞状态(Cell State): 这就像一条“高速公路”,信息可以在上面长距离传递,不容易丢失。遗忘门和输入门就是在这条路上“管理”信息的。
隐藏状态(Hidden State): 这是RNN和LSTM的输出,也包含了当前时间步的信息。

怎么学?
看图解: LSTM的结构图非常经典,你能找到很多。重点理解每个门(遗忘、输入、输出)的输入、输出以及它们之间的数学公式(主要是Sigmoid和Tanh的组合)。
理解门控机制: 为什么用Sigmoid(输出01的概率),为什么用Tanh(输出1到1的范围),它们在这三个门里分别扮演了什么角色。
细胞状态的作用: 它是怎么“携带”信息的,遗忘门和输入门是怎么“修改”它的。
推荐资源:
吴恩达的Deep Learning课程: 里面有专门讲RNN和LSTM的部分,讲得非常透彻,建议你一定看看。
Colah's blog on Understanding LSTM Networks: 这篇文章是理解LSTM的经典之作,图文并茂,非常详细。虽然是英文,但质量很高。你可以找找有没有中文翻译版本。
B站上的相关视频: 搜索“LSTM入门”、“循环神经网络讲解”,你会找到很多UP主用各种方式讲解,选择你觉得最容易理解的。

第三步:动手实践,让代码跑起来

理论看懂了,但编程不是光看不练。

选择深度学习框架: 目前最主流的是 TensorFlow 和 PyTorch。
TensorFlow: 谷歌出品,生态强大,有很多成熟的工具和部署方案。Keras是它里面一个非常友好的API,对新手比较友好。
PyTorch: Facebook出品,更加Pythonic,灵活性更高,社区也很活跃,很多科研人员喜欢用。

怎么选? 问问你的导师或师兄师姐,他们组里主要用哪个框架。跟着大部队走,以后交流起来更方便。如果没特别要求,我个人感觉PyTorch上手稍微容易点,但TensorFlow+Keras也相当不错。

用框架实现LSTM:
找示例代码: 在TensorFlow或者PyTorch的官方文档里,都有LSTM的例子。比如,用LSTM预测时间序列,或者用LSTM处理文本分类。
理解代码结构: 看看代码是怎么定义模型的(怎么搭建LSTM层、激活函数、输出层),怎么加载数据的,怎么训练模型的(数据喂给模型、计算损失、反向传播、更新参数),怎么评估模型的。
从简单开始: 不要一开始就想着做非常复杂的任务。可以先找个公开的、数据量不大的LSTM教程,跟着代码一步步敲,理解每一行代码的作用。
调试: 遇到错误是很正常的,学会看错误信息,然后上网搜索解决办法。这个过程是进步最快的。

第四步:理解应用场景,知道LSTM是用来干嘛的

LSTM之所以被发明,是因为它能在很多领域发挥作用。了解这些,能让你更有方向。

时间序列预测: 股票价格、天气预报、交通流量等。
自然语言处理(NLP):
文本分类: 情感分析、垃圾邮件识别。
机器翻译: 将一种语言翻译成另一种语言。
文本生成: 写诗、写新闻。
语音识别: 将语音转化为文本。
音乐生成: 创作音乐旋律。
视频分析: 识别视频中的动作。

学习建议:

1. 循序渐进,不要贪多。 把Python基础打扎实,再去学LSTM的原理,最后再动手实践。
2. 多看、多想、多动手。 看懂理论不是目的,能用代码实现并达到效果才是。
3. 找个“带路人”。 问问师兄师姐,让他们推荐一些好的学习资料或者项目。
4. 别怕出错。 编程和做研究就是一个不断试错、不断进步的过程。
5. 加入讨论。 如果有相关的学习小组或者论坛,可以加入进去,和大家交流。
6. 耐心! 很多概念需要时间去消化,不可能一天就全部搞懂。

具体来说,你现在可以立即开始做的事情:

安装Python和NumPy。
找一些Python基础教程,过一遍列表、字典、循环、函数。
在B站或者网上搜“吴恩达 LSTM”,先把他关于RNN和LSTM的视频看了。
找找Colah's blog的中文翻译版本,仔细阅读。
了解一下TensorFlow或者PyTorch, 看看它们的基本用法。

哥们,别给自己太大压力。你现在刚开始,有困惑很正常。把心态放平,一步一个脚印来。LSTM这东西,说白了就是一种“带记忆”的神经网络,它的精髓在于那套“门控”机制。只要把这个机制理解透了,后面的实践就会顺很多。

加油!等你搞定了LSTM,再来聊聊更高级的GRU、Transformer啥的,那时候你就觉得,一切都是水到渠成了!

网友意见

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哈哈,2020年,我和 LSTM 死磕了一整个春夏。

先说 python, 这个教程够多了,随便找找国内的材料都可以, B站学习,菜鸟补漏。

然后了解一些机器学习的东西,RNN 是 LSTM 的基础,以这个为关键词去 B 站。

然后说 LSTM ,去这里,

我为什么推荐这个网站?国内能百度到的文档,90% 是从这里翻译,然后互相抄袭......

Jason 的风格就是,别被太学术的东西干扰,LSTM 实践起来非常简单。

未必要买他的课,文章就够用。

还是会遇到名词看不懂?sklearn 中文文档,比任何解释都完善,当字典随查随用

那个夏天, 我在知乎关注了一个机器学习的佬,发现他当时在知乎研究斗地主.......

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