最新ChatGPT GPT-4 自然语言理解NLU与句词分类技术详解（附ipynb与python源码及视频讲解）——开源DataWhale发布入门ChatGPT技术新手从0到1必备使用指南手册（四）_gpt nlu

前言

自然语言理解（NLU）是人工智能（AI）领域中的一个关键技术，它旨在使计算机从文本或语音输入中推断出用户的意图和含义。随着大数据和深度学习技术的快速发展，NLU已经在很多应用领域得到了广泛的应用，如智能家居、智能客服、翻译和自动驾驶等。

近年来，NLU的研究取得了突破性进展，并且面临着许多挑战。比如以下几个方面是目前研究者研究的重点：

• 语义理解：如何从文本中推断出用户的意图和含义，如语义角色标注、词向量表示等。
• 知识库：如何将外部知识库结合到NLU模型中，以增强其理解和推理能力。
• 对话管理：如何处理多轮对话，实现上下文感知和跨度对话的一系列支持。
• 多语言支持：如何构建跨语种的NLU系统，实现多语言理解和翻译的功能。

在这些方面的研究中，深度学习技术和预训练语言模型被广泛应用。例如，在语义理解方面，BERT、ELMo、GPT等模型已经成为研究和开发者的首选；在知识库方面，如RDF、WordNet等本体库是常用的数据来源；在对话管理方面，RL算法和注意力机制得到了广泛应用；在多语言支持方面，Transformer等神经网络模型取得了良好的效果。

作为现在最受欢迎的大型语言模型，ChatGPT已经在词义理解、对话管理等自然语言理解（NLU）方面取得了非常显著的效果。

最新ChatGPT GPT-4 自然语言理解NLU与句词分类技术详解

1. NLU基础

  NLU是Natural Language Understanding的简称，即自然语言理解。一直以来都与NLG（Generation）任务并称为NLP两大主流任务。一般意义上的NLU常指与理解给定句子意思相关的意图识别、实体抽取、指代关系等任务，在智能对话中应用比较广泛。

  具体点来说，当用户输入一句话时，机器人一般会针对该句话（也可以把历史记录给附加上）进行全方面分析，包括：

• 情感倾向分析：简单来说，一般会包括正向、中性、负向三种类型，也可以设计更多的类别。或更复杂的细粒度情感分析，比如针对其中某个实体或属性的情感，而不是整个句子的。
• 意图识别：一般都是分类模型，大部分时候都是多分类，但是也有可能是层次分类，或多标签模型。
  • 多分类：给定输入文本，输出为一个Label，但Label的总数有多个。比如类型包括询问地址、询问时间、询问价格、闲聊等等。
  • 层次分类：给定输入文本，输出为层次的Label，也就是从根节点到最终细粒度类别的路径。比如询问地址/询问家庭地址、询问地址/询问公司地址等等。
  • 多标签分类：给定输入文本，输出不定数量的Label，也就是说每个文本可能有多个Label，Label之间是平级关系。
• 实体和关系抽取：
  • 实体抽取：提取出给定文本中的实体。实体一般指具有特定意义的实词，如人名、地名、作品、品牌等等；很多时候也是业务直接相关的词。
  • 关系抽取：实体之间往往有一定的关系，比如「刘亦菲」出演「天龙八部」，其中「刘亦菲」就是人名、「天龙八部」是作品名，其中的关系就是「出演」，一般会和实体作为三元组来表示。

  一般经过以上这些分析后，机器人就可以对用户的输入有一个比较清晰的理解，便于接下来据此做出响应。

  另外值得一提的是，上面的过程并不一定只用在对话中，只要涉及到用户输入Query需要给出响应的场景，都需要这个NLU的过程，一般也叫Query解析。

  上面提到的几个分析，如果从算法的角度看，其实就两种：

• 句子级别的分类：如情感分析、意图识别、关系抽取等。也就是给一个句子，给出一个或多个Label。
• Token级别的分类：如实体抽取、阅读理解（就是给一段文本和一个问题，然后在文本中找到问题的答案）。也就是给一个句子，给出对应实体的位置。

  Token级别的分类不太好理解，我们举个例子，比如下面这句话：

刘亦菲出演天龙八部。

  它在标注的时候是这样的：

刘/B-PER
亦/I-PER
菲/I-PER
出/O
演/O
天/B-WORK
龙/I-WORK
八/I-WORK
部/I-WORK
。/O

  在上面这个例子中，每个Token就是每个字，每个Token会对应一个Label（当然也可以多个），Label中的B表示Begin，I表示Internal，O表示Other（也就是非实体）。模型要做的就是学习这种对应关系，当给出新的文本时，能够给出每个Token的Label预测。

  可以看到也就是说，它们本质上都是分类任务，只是分类的位置或标准不一样。当然了，实际应用中会有各种不同的变化和设计，但整个思路是差不多的，我们并不需要掌握这些知识，只需要知道大概是怎么一回事就好了。

1.1 句子级别的分类

  接下来，我们简单介绍一下这些分类具体是怎么做的，先说句子级别的分类。回忆上一章的Embedding，那可以算是整个DeepLearning NLP的基石，我们这部分的内容也会用到Embedding。具体过程如下：

• 将给定句子或文本表征成Embedding
• 将Embedding传入一个神经网络，计算得到不同Label的概率分布
• 将上一步的Label概率分布与真实的分布做比较，并将误差回传，修改神经网络的参数
• 得到训练好的神经网络

import numpy as np
np.random.seed(0)
1
2

  我们举个例子，简单起见，假设Embedding维度为32维（上一章OpenAI返回的维度比较大）：

emd = np.random.normal(0, 1, (1, 32))
1

  如果我们是三分类，那么最简单的W就是32×3的大小（这个W就被称为模型/参数）：

W = np.random.random((32, 3))
1

z = emd @ W
z
1
2

array([[6.93930177, 5.96232449, 3.96168115]])
1

  得到这样的结果，因为我们想要的是概率分布，所以需要对其归一化（也就是变成0-1之间的概率值，并且加起来为1）。

def norm(z):
    exp = np.exp(z)
    return exp / np.sum(exp)
1
2
3

y = norm(z)
y
1
2

array([[0.70059356, 0.26373654, 0.0356699 ]])
1

np.sum(y)
1

0.9999999999999999
1

  根据给出的y，知道这个结果告诉我们预测的Label是0，如果真实的Label是1，那0位置的这个概率分布下次就会变小，1位置的就会变大。

  实际中，W往往更加复杂，可以包含任意的数组，只要最后输出变成1×3的大小即可，比如我们弄个复杂点的：

w1 = np.random.random((32, 100))
w2 = np.random.random((100, 32))
w3 = np.random.random((32, 3))
1
2
3

y = norm(norm(norm(emd @ w1) @ w2) @ w3)
y
1
2

array([[0.32940147, 0.34281657, 0.32778196]])
1

  只是参数（模型）更复杂了些，其他都是一样的。

  稍微复杂点的是多标签分类和层次分类，这俩因为输出的都是多个标签，处理起来要麻烦一些，不过它们的处理方式是类似的。我们以多标签分类来说明，假设有10个标签，给定输入文本，可能是其中任意多个标签。这就意味着我们需要将10个标签的概率分布都表示出来。可以针对每个标签做个二分类，也就是说输出的大小是10×2的，每一行表示「是否是该标签」的概率分布。

def norm(z):
    axis = -1
    exp = np.exp(z)
    return exp / np.expand_dims(np.sum(exp, axis=axis), axis)
1
2
3
4

np.random.seed(42)

emd = np.random.normal(0, 1, (1, 32))
W = np.random.random((10, 32, 2))
y = norm(emd @ W)
y.shape
1
2
3
4
5
6

(10, 1, 2)
1

y
1

array([[[0.66293305, 0.33706695]],

       [[0.76852603, 0.23147397]],

       [[0.59404023, 0.40595977]],

       [[0.04682992, 0.95317008]],

       [[0.84782999, 0.15217001]],

       [[0.01194495, 0.98805505]],

       [[0.96779413, 0.03220587]],

       [[0.04782398, 0.95217602]],

       [[0.41894957, 0.58105043]],

       [[0.43668264, 0.56331736]]])
1
2
3
4
5
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  这里的输出每一行有两个值，分别表示标签「是/0」和「是/1」的概率，比如第一行，0的概率为0.66，1的概率为0.34。需要注意的是归一化时，我们要指定维度，否则就变成所有的值加起来为1了，这就不对了。

  上面是句子级别分类（Sequence Classification）的逻辑，我们必须再次说明，实际比上面要复杂得多，但基本思路是这样的。我们在LLM时代也并不需要自己去构建模型了，本章后面会讲到如何使用LLM的API进行各类任务。

1.2 Token级别的分类

  接下来看Token级别的分类，有了刚刚的基础，这个看起来就比较容易了。它最大的特点是，Embedding是针对每个Token的。也就是说，如果给定文本长度为10，假定维度依然是32，那Embedding的大小就为：(1, 10, 32)。比刚刚的(1, 32)多了个10。换句话说，这个文本的每一个Token都是一个32维的向量。再通俗一点来说，对于模型来说，无论你是1个Token、2个Token还是100个Token，都可以统一看待–都是固定维度的一个向量表示。

  下面我们假设Label共5个：B-PER，I-PER，B-WORK，I-WORK，O。

emd = np.random.normal(0, 1, (1, 10, 32))
1

W = np.random.random((32, 5))
1

z = emd @ W
y = norm(z)
1
2

y.shape
1

(1, 10, 5)
1

y
1

array([[[0.23850186, 0.04651826, 0.12495322, 0.28764271, 0.30238396],
        [0.06401011, 0.3422055 , 0.54911626, 0.01179874, 0.03286939],
        [0.18309536, 0.62132479, 0.09037235, 0.06016401, 0.04504349],
        [0.01570559, 0.0271437 , 0.20159052, 0.12386611, 0.63169408],
        [0.1308541 , 0.06810165, 0.61293236, 0.00692553, 0.18118637],
        [0.08011671, 0.04648297, 0.00200392, 0.02913598, 0.84226041],
        [0.05143706, 0.09635837, 0.00115594, 0.83118412, 0.01986451],
        [0.03721064, 0.14529403, 0.03049475, 0.76177941, 0.02522117],
        [0.24154874, 0.28648044, 0.11024747, 0.35380566, 0.0079177 ],
        [0.10965428, 0.00432547, 0.08823724, 0.00407713, 0.79370588]]])
1
2
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  注意看，每一行表示一个Token是某个Label的概率分布（也就是每一行加起来为1），比如第一行：

sum((0.23850186, 0.04651826, 0.12495322, 0.28764271, 0.30238396))
1

1.00000001
1

  表示啥呢？表示第一个Token的Label是O，那真实的Label和这个预测的之间就可能有误差，通过误差就可以更新参数，从而使得之后预测时能预测到正确的Label（也就是正确位置的概率最大）。

  好了，关于NLU常见问题的基本原理我们就介绍到这里了，如果你对其中的很多细节感兴趣，那么可以关注DataWhale的NLP相关教程，从小项目开始一步一步构建自己的知识体系。

2. 相关API

2.1 LMAS GPT API

  这里我们介绍openai的GPT接口，利用GPT大模型的In-Context能力进行Zero-Shot或Few-Shot的推理。这里有四个概念需要先稍微解释一下：

• GPT：全程是Generative Pretrained Transformer，生成式预训练Transformer。大家只要知道它是一个大模型的名字即可。
• In-Context：简单来说就是一种上下文能力，也就是模型只要根据输入的文本就可以自动给出对应的结果，这种能力是大模型在学习了非常多的文本后获得的。可以看作是一种内在的理解能力。
• Zero-Shot：直接给模型文本，让它给出你要的标签或输出。
• Few-Shot：给模型一些类似的Case（输入+输出），再拼上一个新的没有输出的输入，让模型给出输出。

  如果对In-Context更多细节感兴趣的，可以阅读【相关文献1】。

  接下来，我们就可以用同一个接口，只要通过构造不同的输入就可以完成不同的任务。换句话说，通过使用GPT大模型的In-Context能力，我们只需要输入的时候告诉模型我们的任务就行。

  我们看看具体的用法：

import openai
OPENAI_API_KEY = "填入专属的API key"

openai.api_key = OPENAI_API_KEY
1
2
3
4

def complete(prompt):
    response = openai.Completion.create(
      model="text-davinci-003",
      prompt=prompt,
      temperature=0,
      max_tokens=64,
      top_p=1.0,
      frequency_penalty=0.0,
      presence_penalty=0.0
    )
    ans = response.choices[0].text
    return ans
1
2
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  这个是Completion接口，可以理解为续写，这个续写可不止能帮助我们完成一段话或一篇文章，而且可以用来做各种各样的任务，比如咱们这章要讲的分类和实体提取任务。

  相比上一章的Embedding接口，它的接口参数要复杂多了，重要的参数包括：

• model：指定的模型，text-davinci-003就是其中一个模型，大家可以根据自己的需要，参考官方链接进行选择，一般需要综合价格和效果进行权衡。

• prompt：提示，默认为<|endoftext|>，它是模型在训练期间看到的文档分隔符，因此如果未指定Prompt，模型将像从新文档的开始一样。简单来说，就是给模型的提示语，咱们下面有例子。

• max_tokens：生成的最大Token数，默认为16。注意这里的Token数不一定是字数（但对中文来说几乎一致）。Prompt+生成的文本，所有的Token长度不能超过模型的上下文长度（一般是2048，新的是4096，具体可以参考上面的链接）。

• temperature：温度，默认为1。采样温度，介于0和2之间。较高的值（如0.8）将使输出更加随机，而较低的值（如0.2）将使其更加集中和确定。通常建议调整这个参数或下面的top_p，但不能同时更改两者。

• top_p：采样topN分布，默认为1。0.1意味着Next Token只选择前10%概率的。

• stop：停止的Token或序列，默认为null，最多4个，如果遇到该Token或序列就停止继续生成。注意生成的结果中不包含stop。

• presence_penalty：存在惩罚，默认为0，介于-2.0和2.0之间的数字。正值会根据新Token到目前为止是否出现在文本中来惩罚它们，从而增加模型讨论新主题的可能性。

• frequency_penalty：频率惩罚，默认为0，介于-2.0和2.0之间的数字。正值会根据新Token到目前为止在文本中的现有频率来惩罚新Token，降低模型重复生成同一行的可能性。

  更多可以参考：API Reference - OpenAI API。在大部分情况下，我们只需考虑上面这几个参数即可，甚至大部分时候只需要前两个参数，其他的用默认也行。不过熟悉上面的参数将帮助你更好地使用API。

  先来个最简单的情感分类的例子，我们分别展示一下Zero-Shot和Few-Shot。

# Zero-Shot
# 来自openai官方文档
prompt="""The following is a list of companies and the categories they fall into:

Apple, Facebook, Fedex

Apple
Category:
"""
1
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ans = complete(prompt)
print(ans)
1
2

Technology 

Facebook
Category:
Social Media 

Fedex
Category:
Logistics and Delivery
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# Few-Shot
prompt = """今天真开心。-->正向
心情不太好。-->负向
我们是快乐的年轻人。-->
"""
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ans = complete(prompt)
print(ans)
1
2

正向
1

  再来个实体识别的例子。

# Zero-Shot 来自openai官方文档
prompt = """
From the text below, extract the following entities in the following format:
Companies: <comma-separated list of companies mentioned>
People & titles: <comma-separated list of people mentioned (with their titles or roles appended in parentheses)>

Text:
In March 1981, United States v. AT&T came to trial under Assistant Attorney General William Baxter. AT&T chairman Charles L. Brown thought the company would be gutted. He realized that AT&T would lose and, in December 1981, resumed negotiations with the Justice Department. Reaching an agreement less than a month later, Brown agreed to divestiture—the best and only realistic alternative. AT&T's decision allowed it to retain its research and manufacturing arms. The decree, titled the Modification of Final Judgment, was an adjustment of the Consent Decree of 14 January 1956. Judge Harold H. Greene was given the authority over the modified decree....

In 1982, the U.S. government announced that AT&T would cease to exist as a monopolistic entity. On 1 January 1984, it was split into seven smaller regional companies, Bell South, Bell Atlantic, NYNEX, American Information Technologies, Southwestern Bell, US West, and Pacific Telesis, to handle regional phone services in the U.S. AT&T retains control of its long distance services, but was no longer protected from competition.
"""
1
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ans = complete(prompt)
print(ans)
1
2

Companies: AT&T, Bell South, Bell Atlantic, NYNEX, American Information Technologies, Southwestern Bell, US West, Pacific Telesis
People & titles: William Baxter (Assistant Attorney General), Charles L. Brown (AT&T chairman), Harold H. Greene (Judge)
1
2

  上面是官方给的一个Zero-Shot的例子，我们来造一个Few-Shot的例子，实体给设置的稍微特殊一些。

# Few-Shot
prompt = """
根据下面的格式抽取给定Text中的实体:
和弦: <实体用逗号分割>

Text:
三和弦是由3个按照三度音程关系排列起来的一组音。大三和弦是大三度+小三度的纯五度音，小三和弦是小三度+大三度的纯五度音。
和弦：大三和弦，小三和弦

Text:
增三和弦是大三度+大三度的增五度音，减三和弦是小三度+小三度的减五度音。
"""
1
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ans = complete(prompt)
print(ans)
1
2

和弦：增三和弦，减三和弦
1

  Nice，不是么。大家可以尝试如果不给这个例子，它会输出什么。

2.2 ChatGPT Style

  这个是ChatCompletions接口，可以理解为对话（也就是ChatGPT），几乎可以做任意的NLP任务。它的参数和Completion类似，我们依然介绍主要参数：

• model：指定的模型，gpt-3.5-turbo就是ChatGPT，大家还是可以根据实际情况参考官方给出的列表选择合适的模型。

• messages：会话消息，支持多轮，多轮就是多条。每一条消息为一个字典，包含「role」和「content」两个字段。如：[{"role": "user", "content": "Hello!"}]

• temperature：和Completion接口含义一样。

• top_p：和Completion接口含义一样。

• stop：和Completion接口含义一样。

• max_tokens：默认无上限，其他和Completion接口含义一样，也受限于模型的最大上下文长度。

• presence_penalty：和Completion接口含义一样。

• frequency_penalty：和Completion接口含义一样。

  更多可以参考：API Reference - OpenAI API，值得再次一提的是，接口支持多轮，而且多轮非常简单，只需要把历史会话加进去就可以了。

  接下来，我们采用ChatGPT方式来做类似的任务。这个输入看起来和上面是比较类似的。

def ask(content):
    response = openai.ChatCompletion.create(
        model="gpt-3.5-turbo", 
        messages=[{"role": "user", "content": content}]
    )

    ans = response.get("choices")[0].get("message").get("content")
    return ans
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  我们依次尝试上面的例子：

prompt="""The following is a list of companies and the categories they fall into:

Apple, Facebook, Fedex

Apple
Category:
"""
1
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ans = ask(prompt)
print(ans)
1
2

Technology/Electronics

Facebook 
Category:
Technology/Social Media

Fedex
Category:
Logistics/Shipping
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  嗯，效果也是类似的，不过在ChatGPT这里我们可以更加精简一些：

prompt="""please output the category of the following companies:
Apple, Facebook, Fedex

The output format should be:
<company>
Category:
<category>
"""
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8

ans = ask(prompt)
print(ans)
1
2

Apple
Category:
Technology

Facebook
Category:
Technology/Social Media

Fedex
Category:
Delivery/Logistics
1
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  Great! ChatGPT比前面的GPT API更加「聪明」，交互更加自然。我们可以尝试以对话的方式来让它帮忙完成任务。

  实际上，关于这个领域早就有了一个成熟的技术方案：Prompt工程，大家可以进一步阅读【相关文献2】。这里给出一些常见的建议：

• 清晰，切忌复杂或歧义，如果有术语，应定义清楚。
• 具体，描述语言应尽量具体，不要抽象活模棱两可。
• 聚焦，问题避免太泛或开放。
• 简洁，避免不必要的描述。
• 相关，主要指主题相关，而且是整个对话期间，不要东一瓢西一瓤。

  新手容易忽略的地方：

• 没有说明具体的输出目标。
• 在一次对话中混合多个主题。
• 让语言模型做数学题。
• 没有给出想要什么的示例样本。
• 反向提示。也就是一些反面例子。
• 要求他一次只做一件事。可以将步骤捆绑在一起一次说清，不要拆的太碎。

  我们来试一下情感分类的例子：

prompt = """请给出下面句子的情感倾向，情感倾向包括三种：正向、中性、负向。
句子：我们是快乐的年轻人。
"""
1
2
3

ans = ask(prompt)
print(ans)
1
2

情感倾向：正向
1

  再来做一下实体的例子：

prompt = """
请抽取给定Text中的实体，实体包括Company和People&Title，对于People，请同时给出它们的Title或role，跟在实体后面，用括号括起。

Text:
In March 1981, United States v. AT&T came to trial under Assistant Attorney General William Baxter. AT&T chairman Charles L. Brown thought the company would be gutted. He realized that AT&T would lose and, in December 1981, resumed negotiations with the Justice Department. Reaching an agreement less than a month later, Brown agreed to divestiture—the best and only realistic alternative. AT&T's decision allowed it to retain its research and manufacturing arms. The decree, titled the Modification of Final Judgment, was an adjustment of the Consent Decree of 14 January 1956. Judge Harold H. Greene was given the authority over the modified decree....

In 1982, the U.S. government announced that AT&T would cease to exist as a monopolistic entity. On 1 January 1984, it was split into seven smaller regional companies, Bell South, Bell Atlantic, NYNEX, American Information Technologies, Southwestern Bell, US West, and Pacific Telesis, to handle regional phone services in the U.S. AT&T retains control of its long distance services, but was no longer protected from competition.
"""
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ans = ask(prompt)
print(ans)
1
2

实体抽取结果：
- Company: AT&T, Bell South, Bell Atlantic, NYNEX, American Information Technologies, Southwestern Bell, US West, Pacific Telesis
- People&Title: William Baxter (Assistant Attorney General), Charles L. Brown (AT&T chairman), Judge Harold H. Greene.
1
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3

  看起来还行。我们最后试一下上面的另一个例子：

prompt = """
根据下面的格式抽取给定Text中的「和弦」实体，应包括「和弦」两个字

Desired format:
和弦：<用逗号隔开>

Text:
增三和弦是大三度+大三度的增五度音，减三和弦是小三度+小三度的减五度音。
"""
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ans = ask(prompt)
print(ans)
1
2

和弦：增三和弦, 减三和弦
1

  我们还用了中英文混合，它也完全没问题。

  大家不妨多多尝试，也可以参考【相关文献 2-10】中的写法，总的来说，它并没有什么标准答案，最多也是一种习惯或约定。大家可以自由尝试，不用有任何负担。

相关NLU应用及实战

• 最新ChatGPT GPT-4 NLU实战之文档问答类ChatPDF功能

• 最新ChatGPT GPT-4 NLU实战之实体分类识别与模型微调

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相关文献

• 【1】GPT3 和它的 In-Context Learning | Yam
• 【2】ChatGPT Prompt 工程：设计、实践与思考 | Yam
• 【3】一些 ChatGPT Prompt 示例 | Yam
• 【4】dair-ai/Prompt-Engineering-Guide:
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