Shusen Wang NLP课程学习笔记 RNN+NLP_wangshuseng rnn

RNN+NLP学习笔记(点击标题查看视频课程)

Data Processing Basics

Processing Categorical Features

categorical features -> Numeric features（可以比较大小）

可以建立字典映射，如国家 -> one-hot encoding [0…010…0]，缺失 -> [0…0]

不能用一个标量来表示categorical features

Processing Text Data

Text -> set of words (categorical features) -> Numeric vector

Tokenization

Text -> set of words

Count Word Frequencies

• using hashmap<Key(word), Value(frequency)> to count frequency

• Sort the table so that the frequency is in descending order(降序)

• Replace frequency by index (starting from 1)

The hashmap is called a dictionary, which transform a word into a number

vocabulary(词汇量)： num of unique words

保留高频词，删除低频词 如保留前10K个单词，其余单词删掉

• 低频词往往无意义，如name entities，拼写错误
• bigger vacabulary -> higher-dim one-hot vectors

One-hot Encoding

• map every word to its index

• (transform every index to a one-hot vector)

Text Processing and Word Embedding(嵌入)

Text to Sequence

Tokenizetion

如，文本分割为单词 (text -> list of tokens)

通常，有如下思考：

• 将大写变为小写，但有时大小写不是一样的单词（Apple,apple）
• 移除stop words, 如"the", “a”, “of”
• 拼写纠错 Typo correction

Build Dictionary

一句话变为一个序列（sequences，如[1,2,3,4,1,5]）

One-Hot Encoding

Align Sequences

问题：sequences长度各不相同

解决：将每个序列调整到固定长度w（对其）

• 若序列长度超过w，切割，只保留w个单词
• 若序列长度小于w，用null(0)补齐（padding）

Word Embedding：Word to Vector

One-Hot Encoding

如上图，向量维数过高会导致RNN参数过多，为此做word Embedding，目的为降维。

Word Embedding

将 ei 转换为 xi 向量，其中 ei 为one-hot向量，xi 为将维后的向量。

上图中的转换其实是将一个单词转换为一个训练好的低维向量（xi和PT中的红色列向量相同），P转置中每一列为一个词向量

参数矩阵P

• 行数d用户决定，应该用cross validation来选择
• 列数v为vocabulary
  
  词向量是具有感情色彩的（数据集来自电影评论），假设为2d（高维的在高维空间结果应该是类似的），同一感情色彩的词应该分布在靠近的位置

RNNs（Recurrent Neural Networks循环神经网络）

model sequential data (时序数据)

FC Nets & CNN 都是one-to-one形式的神经网络，有时不适合语音的问题，因为输入和输出的长度不固定

RNNs对于model sequential data更适合（many to one）

• 按顺序学习
• 使用同一个参数A
• 不断更新state，最后的state对应整个sequences

Simple RNN

每一层都是一个函数 f(ht-1,xt) = ht，通过xt和ht-1结合成新向量后乘矩阵A，再对结果做tanh运算得到

缺点：不擅长long-term dependence

如图，对x1的改变几乎传递不到h100，这是不合理的

LSTM（Long Short Term Memory）

优点

• 对simple RNN的改进

• 避免梯度消失

• 更长的记忆
  

Conveyor Belt

过去信息通过传输带送到下一个时刻，不会发生太大的变化

LSTM通过传输带避免梯度消失

Forget Gate

有选择地让信息通过

• forget gate中元素为1则完全保留
• forget gate中元素为0则完全不能通过

• sigmoid将每一个元素压到0-1之间，得到f(Forget Gate)
• 将c与f进行elementwise multiplication运算

Forget Gate(f)的计算方法如上图所示，f也是一个向量

Wf需要通过反向传播从训练数据中学习

Input Gate

输入门（it）决定更新传输带中的哪一个值

Wi需要通过反向传播从训练数据中学习，结构类似与遗忘门

New Value

激活函数为tanh，得到的值在（-1，1）之间

Update the Conveyor Belt

Output Gate

ht为LSTM的输出，输出门也用sigmoid函数

state（ht）复制了两份，一份作为LSTM的输出，一份传到了下一个LSTM中

Making RNNs More Effective

stacked RNN(多层RNN)

stacked RNN结构如上图所示，

最底层的RNN的输入为词向量xi，底层RNN的输出作为上层RNN的输入，以此类推。最后得到的是最后一层RNN的输出向量ht。下图为Stacked LSTM中的网络结构的概要。

实验表示，stacked LSTM的结果没有对LSTM产生太大改善，可能是embedding中的参数过多，没有足够的训练数据（只有20K个样本），导致产生了过拟合，而这是RNN层无法去解决的

Bidirectional RNN(双向RNN)

两条RNN，一条从左往右，一条从右往左。

• 两条RNN是相互独立的，不共享参数，也不共享状态
• 两条RNN独立计算出两个状态向量，然后做concatenation得到y

如果有多层RNN，yi即为上面一层RNN的输入

如果只有一层RNN或已经是最上层的RNN，只保留ht’和ht即可（[ht, ht’]）

优点 双向RNN总是比单向RNN效果好，可能是因为单向RNN会遗忘早期的输入特征，而其反向的RNN正好可以予以弥补

Pretrain(预训练)

（比如预训练上文中的EMbedding Layer）

1. 让模型在一个更大的数据集上训练，训练的最好是相同类型的数据集，训练使用的数据集和最终的数据集任务越相似，结果越好
2. 只保留embedding层和训练好的模型参数，如图：

3. 搭建新的RNN网络，新的RNN层参数是随机初始化的，而Embedding层的参数是预训练得到的，embedding layer的参数要固定住，不训练embedding layer

这个方法是不是就是迁移学习？

Always use LSTM instead of SimpleRNN

Always use Bi-RNN instead of RNN

Stacked RNN may be better than a single RNN layer

Pretrain the embedding layer if n is small

Text Generetion

Main Idea

example

假设RNN已经训练好了，输入以char-level被分割成sequence，进入RNN中进行运算（上图中的绿色部分），得到的结果向量输入softmax中进行分类，softmax的输出为如图所示的概率分布，可以看出，下一个最大可能的字符为"t"，下下个最大可能的字符可能是“.”，这样生成的句子就是the cat sat on the mat.

**seed：**最初的片段，输入

How to train such an RNN

输入文本转换为（片段 + 标签），片段为神经网络的输入，训练输入为pairs( segment, next_char) 。stride为每次获取新的片段时向后移动的字符数量。

Training a Text Generator

prepare training data

文本本身大约有600K个字符，每次stride 3个字符，所以大约有200K个片段

character to vector

character ->v * 1 vector => segment -> l * v matrix

可以看到和上面讨论的是一致的，最后得到的矩阵的列数为vocabulary。但是这里不需要embedding层

这里，一个segment表示为一个矩阵，而next_char为一个向量

注意，这里只能用单向的LSTM，因为文本预测是一个单向的问题

Predict the Next Char

承接上文的例子，预测的结果是一个57维的向量，每一个值表示一个概率。

greedy selection

选择概率最大的字符

• 确定性的，给定初始字符，后面的结果确定（不好）

sampling from the multinomial distribution(多项式分布)

• 过于随机，会产生很多拼写，语法错误

adjusting the multinomial distribution

• pred = pred ^ (1/ temperature)

• pred = pred / np.sum(pred)

对概率值做上述变换，大的概率会变大，小的概率会变小

Neural Machine Translation(Seq2Seq model)

（这里用英语德语转换做例子）

machine translation data

**预处理：**大写变小写，去掉标点符号等

tokenization & build dictionary

• 两种语言用两个tokenizers
  • 在char-level，语言有不同的字母表
  • 在word-level，语言有不同的词汇，分词方法
• 两种语言建立两个字典
  • 向目标语言的字典中加入两个符号：起始符、终止符

上图矩阵就是RNN的输入

Seq2Seq Model

网络结构（encoder-decoder network）

模型如上图所示，encoder提取英文的特征，Decoder就是上面讲到的text generator，这里decoder的 初始状态 是encoder的states(h, c)，包含encoder输出和传输带信息

训练过程

decoder输出为概率分布p，假设预测应得的第一个字母为“m”，它经过one-hot后得到的向量和p可以一同计算损失函数，损失函数越小越好，就可以反向用梯度下降更新模型中参数的值

输入为已经得到的部分（初始输入为起始符），每次预测一个字符/单词，就使用预测出的概率模型和实际的下一个输入更新一次模型参数（这里使用双向RNN）

翻译过程

用新生成的字符/单词作为输入，使用更新后的状态，用LSTM得到新的状态states和概率分布，采用一定的方法得到下一个字符/单词，并记录下来。

不断重复这个过程，更新状态，得到新的字符

如果预测到的为终止符，就终止预测，并返回record下的字符串

整个过程如下图所示：

How to Improve

Bi-LSTM instead of LSTM (Encoder Only!)

decoder是一个文本生成器，只能使用单向的LSTM

Word-Level Tokenization

英文每个单词平均4.5字符，这样输入序列长度就要短4.5倍，更短的sequence更不容易被遗忘，但是用word-level必须有足够大的数据集（避免embedding层的overfitting现象）

Multi-Task Learning

除了上文中的英文翻译成德文，还可以添加英文训练成英文等其他任务，这样相当于训练数据凭空增加了一倍，encoder的训练效果会更好

Attention机制

如下文所述

Attention

不用Attention时翻译的效果如下图蓝色曲线，使用后如红色曲线：

**缺点：**计算量大

Attention原理

计算每一个hi与s0的相关行，这里用权重Weight表示hi与s0的相关行如下：

• For Any ai，0< ai < 1
• sum(ai) = 1

计算出结果后，对m个hi做加权平均，如下：

decoder中计算新的状态s1的方法如下：

可以看到，新的计算方法使用了上面的context vector，由于context vector是m个hi的加权平均，所以c0中包含了x1-xm的完整的信息，没有遗忘。

下一步计算context vector c1 , 利用如下公式计算权重：

这里计算的是hi与状态s1的相关行，计算c1方法如下：

计算decoder新状态如下图所示：

如此重复，计算每一个context vector和state si

计算hi与s0的相关性(Weight)方法

Option1(原论文方法)

这里v和w都是参数，需要通过学习得到，然后做运算：

Option2(常用方法)

这里的Wk和Wq都要通过学习得到，这种方法被Transformer模型采用

Weights 的意义

decoder在产生下一个state之前，会看一遍encoder的所有状态。weights代表了翻译前后单词的相关性，告诉decoder应该关注encoder中的哪一个状态

Self-Attention

初始化h0，c0为全0，计算h1如下：

这里和simpleRNN相比，用c0替换了h0

h1计算出来后，就要计算新的context vector c1，c1是已有状态的加权平均，由于初始状态h0为0，所以不做考虑，c1=h1，如下图所示

拥有c1后，要计算新的状态h2如下图所示

h2是c1与x2的函数，计算公式如下：

接下来计算新的context vector c2

首先计算权重a如下：

c2的计算公式如下：

重复如上过程直至结束