\chapter{相关理论与技术基础}

\section{LSTM神经网络}

长短期记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）是Hochreiter和Schmidhuber于1997年提出的一种特殊的循环神经网络（RNN）变体，旨在解决传统RNN在处理长序列数据时面临的梯度消失和梯度爆炸问题。

LSTM的核心思想是引入门控机制（gating mechanism），包括遗忘门（forget gate）、输入门（input gate）和输出门（output gate），通过这三个门的协同工作，LSTM能够选择性地记忆或遗忘信息，从而有效地捕捉时间序列中的长期依赖关系。

\subsection{LSTM单元结构}

LSTM单元通过细胞状态（cell state）和隐藏状态（hidden state）进行信息的传递与更新，其前向传播过程由以下公式描述：

遗忘门控制上一时刻细胞状态的遗忘程度，输入门决定当前输入信息中有多少写入细胞状态，输出门控制细胞状态对当前隐藏状态的输出比例。

\section{注意力机制}

注意力机制（Attention Mechanism）的核心思想源于人类视觉系统对信息的筛选性关注，即在处理大量输入信息时，能够动态地为不同部分分配不同的重要性权重。

Vaswani等人在2017年提出的Transformer架构中，将注意力机制推向了新的高度。多头自注意力机制（Multi-Head Self-Attention）允许模型从多个不同的表示子空间中联合关注序列中不同位置的信息，从而更全面地捕捉序列内部的复杂依赖关系。

\subsection{缩放点积注意力}

缩放点积注意力（Scaled Dot-Product Attention）是多头注意力的基础计算单元，其计算过程为：将查询（Query）和键（Key）进行点积运算，除以维度平方根进行缩放，经Softmax归一化后与值（Value）加权求和。

\subsection{多头自注意力}

多头自注意力将查询、键、值分别通过多个线性投影映射到不同的子空间，在每个子空间中独立计算注意力，最后将各头的输出拼接并线性变换，使得模型能够从多个角度捕捉输入序列的特征。

\section{XGBoost算法}

XGBoost（eXtreme Gradient Boosting）是Chen和Guestrin于2016年提出的梯度提升树算法的优化实现，在机器学习竞赛和工业应用中取得了巨大成功。

XGBoost的核心优势包括：（1）正则化的目标函数，有效防止过拟合；（2）二阶泰勒展开近似损失函数，提升收敛速度；（3）支持列采样和行采样，增强泛化能力；（4）内置交叉验证和早停机制；（5）支持并行化计算和分布式训练。

\section{高温热浪定义与健康风险}

世界气象组织（WMO）将高温热浪定义为日最高气温连续3天以上超过32℃的天气过程。中国气象局的定义为日最高气温达到或超过35℃且持续3天以上。

\subsection{健康风险等级划分}

参考相关研究和公共卫生实践，高温健康风险等级通常分为：低风险（注意）、中风险（关注）、高风险（警戒）、极高风险（紧急）四个等级，分别对应不同的防护措施和应急预案。

\section{Flask框架与ECharts可视化}

Flask是一个轻量级的Python Web框架，以其简洁性和灵活性著称，适合中小型Web应用的快速开发。本研究使用Flask作为后端服务框架，提供RESTful API接口。

ECharts是百度开源的基于JavaScript的数据可视化库，支持丰富的图表类型和高度的交互性，广泛应用于数据大屏和商业智能领域。本研究使用ECharts实现Web端的多维度可视化展示。
