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AI遮天传 DL-深度学习在自然语言中的应用

本文简要介绍一些深度学习在自然语言应用的基本任务,词表示,文本翻译和机器翻译。

一、典型任务

  • 词性标注和句法分析
  • 问答和对话系统
  • 文本/文档分类
  • 情感分析和观点挖掘
  • 机器翻译
  • 文本生成
  • ......

1.1 词性标注和句法分析

词性(POS)标注即对句子里的每个词给出它的词性如名词、动词等:

句法分析即分析其主、谓、宾等结构:

1.2 问答和对话系统

用户问出一个问题,对话系统能够做出回答,这便是该系统主要关注的任务。

左边是简单的一问一答的形式,而后面则是有前后呼应的对话。

1.3 文本/文档分类

比如情感分类,积极、消极、中性的:

文档分类处理的对象会长一些,不是简单的几句话,而是一整片文章或是几页:

1.4 机器翻译

机器翻译顾名思义就是把一种语言翻译成另外一种语言。

1.5 其它

NLP的应用还有很多,比如对联、古诗生成~

couplet.msra.cn

九歌——人工智能诗歌写作系统 (thunlp.org)

二、词表示

2.1 词表示

自然语言处理的最基本的对象就是词,词构成句子,句子构成段落,段落构成文章。

那么我们如何来表示一个词呢?大家最先能想到的就是以one-hot的形式,如:

但是这样,维度、词汇表的大小|V| 可能是数百万。且如词与词之间意思相近或者意思没什么关系又无法表述:dist(“kid”, “child”) 、dist(“flower”, “car”)

  • 维度太高
  • 没有表达词之间的关系

动机:用一个词的邻居来表示这个词 “You shall know a word by the company it keeps”

我们可以看到上面两句话都和词“banking”有关,我们就可以用它周围的这些词,即这段话里的词来表示“banking”的含义。

如何去表示呢?

在深度学习兴起之前,人们的一个典型的想法是用共现矩阵去表示。

2.1.1 基于窗口的共现矩阵

以下面示例语料集为例

  • 我们选定一个窗口,为方便起见我们选定窗口长度为1(通常是5-10)。
  • 这个窗口的作用是来选的某个词左边1个词和右边1个词出现的频率。

上面语料集一共出现7个词,所以矩阵是7*7的。

以like这行为例,可以看到它左右距离为1的窗口出现单词I有两次,deep一次,NLP一次,其它都为0次。

但是,这种共现矩阵的表示法,依然是有多少个词,向量的长度就是多少,依然不那么"经济实惠",但是相比于独热编码,它没有那么稀疏了(但还是比较稀疏)。

  • 维度太高
  • 表示稀疏使模型不够鲁棒
  • 在词汇表中添加一个单词时需要重新计算所有单词的表示形式

2.1.2 用低维向量表示单词

目标: 以固定的、低维度的向量存储“大多数”重要信息(密集向量):

  • 通常约25-1000维
  • 基于这种表示,很容易来执行任务(分类,生成等)

方法:

  • 神经概率语言模型 - Bengio et al., A neural probabilistic language model. Journal of Machine Learning Research, 2003.
  • 最近更简单更快的模型: **word2vec **(继承自神经概率语言模型) - Mikolov et al., Distributed representations of words and phrases and their compositionality, NeurIPS 2013

神经概率语言模型的影响

2.2 word2vec的主要思想

2.2.1 思想介绍

核心思想:不统计词的共现数,而是预测每个词周围的词。

如图,输入一个词(one-hot编码),中间做一个神经网络的隐层,这个隐层很简单,没有非线性(没有激活函数,即线性映射)。最后做出输出(每个输出也是one-hot),预测t-2, t-1, t+1, t+2时刻的词(和窗口大小有关)。

  • |V|大概上万维-百万维
  • d大有50~1000,即先高维映射到低维,然后再映射回高维。

第一步:词wt乘以权重C得到vwt ,其实就是得到了C的那一列。

第二步,vwt 与 K 相乘,又得到回一个V维的向量,这个一列向量的每一行都表示和K这一行(这个词)在这个时刻(举例)的相似性(得分)。再经过一个softmax把结果压在0-1之间,根据结果大小如,投影为 t-2 位置的词。

  • C的每一列对应一个词:“输入向量”
  • K的每一行对应一个词:“输出向量”

注意:

  • 需要预定义C的列与语料库中词之间的对应关系
  • 必须再K中使用同顺序的行。

经过学习后,C的第i列与K的第i行可以平均来表示第i个词。

图示如下:

以当前词为France为例:

经过投影后,我们得到France这个词的**输入向量"France"**,与K相乘得到一个高维的实数向量,经过softmax得到0-1之间某时刻的输出向量。

在t-2时刻,我们还有一个标准答案"captial"对应的独热编码,这也说明K的最后一行表示captial。

同样,其它词如of应该是t-1时刻的,那么K的对应of的那一行(对应的输出向量)在该时刻也应该与输入向量France相似,才能得到of**.**

2.3 训练方式

目标: 给定一个输入词,最大化周围词的概率

2.3.1 skip-gram模型

skip-gram模型:用当前词预测周围词的概率

以t-1时刻的词为例,来最大化这个词的概率。

处于位置 t+j ( j = -2,-1,1,2 )的词,w_{k} 的概率为:

训练过程中,作为希望输出的词 w_{t+j} 的交叉熵损失为:

2.3.2 目标函数

  • 我们在窗口的其他位置有同样的要求。对所有位置的损失求和

    其中c是窗口大小,![\theta](https://latex.codecogs.com/gif.latex?%5Cdpi%7B120%7D%20%5Ctheta) 表示所有参数
  • 在所有给定输入 w_{1},w_{2},w_{3},...w_{T} 上求平均

  • 相当于最大化平均对数概率
  • 用反向传播算法和SGD训练模型

2.3.3 softmax的替代方法

在窗口的每一个位置,softmax的输出为

其中 k=1,...,|V|

这种方法的问题在于:归一化项的计算耗时长。

替代方法:

  • 层次化softmax
  • 负采样

2.4 结果

可以看到下面一些有意思的现象:

国家都在左边,首都都在右边,且举例相似,也都基本平行。

向量German和向量airlines相加,得到的结果和他们的航空公交公司很像...

如何表示一个句子或一个段落?

三、神经网络进行文本分类

在我们获得每个词的词向量后,如何表示一个句子或一个段落?

3.1 CNN进行文本分类

答:我们把这些词向量按照一定的顺序拼接起来,得到一个二维矩阵,这个二维矩阵就可以是一个句子/段落新的表示。之后对句子/段落进行分类,其实就是对二维矩阵进行分类。我们此时就可以用以前那些处理图像的方法来处理这些二维矩阵了。

卷积核kernel的宽度和词向量的宽度都是K,所以卷积后得到一个向量而不是一个矩阵。

再对每个句子上进行MaxPooling,每次MaxPooling都会得到一个数,有几个kernel就会有几个元素。

最后就可以做一个全连接网络进行句子分类。

3.1.1 这个模型有什么问题?

深度不够

  • 一层卷积和一层池化

特征不够多样化

  • 每个卷积核会产生一个1维的特征图,即一个特征向量
  • 在一个特征向量上应用全局最大池化,即对所有时间做最大池化,这会产生一个标量。

3.1.2 一个更深的模型

  • 确定到底要多长的句子,选择使用动态的K-Maxpooling,使得得到的结果等长。

3.2 RNN进行文本分类

我们上面说到CNN进行文本分类,RNN一般用来处理持续性信息,其实我们用RNN去进行文本分类会更加的自然,也是现在主流的选择。

以Elman网络为例,其中x是每个时刻的输入(每个时刻的词), r最后时刻出现,我们把隐层进行展开...

RNN文章: AI遮天传 DL-反馈神经网络RNN_老师我作业忘带了的博客-CSDN博客

  • 可以使用 LSTM 或者 GRU
  • 可以使用双向 RNN

四、神经网络进行机器翻译

介绍一种很典型的模型,序列到序列的学习模型。

通常会涉及两个RNN: 编码器(encoder)和解码器(decoder)

许多NLP任务可以表述为序列到序列:

  • 机器翻译 (法语 → 英语)
  • 总结 (长文本 → 短文本)
  • 对话 (先前的话语 → 接下来的话语)
  • 代码生成 (自然语言 → Python 代码)
  • 旋律产生 (一个乐句 → 下一个乐句)
  • 语音识别 (声音 → 文本)

4.1 机器翻译 (NMT)

如下:法语-英语

  • 左侧,编码器RNN 产生一个源语句的编码
  • 右侧,解码器RNN生成以编码为条件的目标句子

对于编码器和解码器

  • 对于编码器,可以使用预训练词向量,例如word2vec ,或者one-hot形式词向量
  • 对于解码器,使用one-hot形式表示输出

编码器和解码器的字典

  • 对于一些任务,例如,机器翻译,它们是不同的
  • 对于其他任务,例如,总结和对话任务,它们是相同的

编码RNN和解码RNN通常是不同的,也可以使用深度RNN。

4.2 训练 NMT 系统

首先我们要有很多的语料集,法语->英语,法语->英语,法语->英语,...,法语->英语

把法语输入给Encoder RNN,英语输入给Decoder RNN

每个时间都会输出一个单词,使用交叉熵函数计算,把所时刻的交叉熵计算结果加起来,取个平均得到J,最小化这个J,反向传播(多个单词 就有多个loss),调整Encoder RNN 和 Decoder RNN里面的参数。

模型问题

上图画圈处的地方,是Decoder的唯一输入,我们期望Encoder在这个时候的状态包含了之前的原语句的所有信息。但是只用这一个向量来表示这个句子的所有信息,对它的要求是不是有点高了?

解决办法注意力机制

注意力机制提供了一个解决瓶颈问题的方法

4.3 注意力机制(Attention)

核心思想: 解码器的每一步中,关注于源序列的特定部分。

即当前我要输出某个词的时候, 我们就去原序列集中注意去找哪些词和它的关系最强。

注意力机制有很多形式 ,下面将展示一个例子:

4.3.1 带有Attention的Seq2seq

我们从第一个时刻出发,要预测第一个时刻的输出,把Decoder里隐层的向量与Encoder隐层的向量进行点积,每个地方得到一个标量,标量有大有小,有的可能超过1,有的可能是负数:

此时做一个softmax转换到0-1之间,表示Encoder里每一个向量与Decoder当前向量的距离/相似度。

可见Decoder里第一个词与Encoder里第一个词很相似。

我们把softmax后的这些结果(相当于权重)与Encoder里的向量相乘,进行加权求和:

在加权求和结果里,第一个向量的成分/比例是最大的。

将加权求和之后的结果Attention与当前时刻的Decoder时刻的隐层状态把他俩拼起来,经过一个softmax去预测当前时刻应该输出什么:

同样,下一时刻也是如此:

对应公式:

五、主要参考文献及延伸阅读

  • Kim (2014) Convolutional neural networks for sentence classification arXiv preprint arXiv:1408.5882

  • Bengio, Ducharme, Vincent, Jauvin (2003) A neural probabilistic language model Journal of Machine Learning Research

  • Mikolov, et al. (2013) Distributed representations of words and phrases and their compositionality NeurIPS

  • Sutskever, Vinyals, Le (2014) Sequence to Sequence Learning with Neural Networks NeurIPS

  • Vaswani, Shazeer, Parmar, et al. (2017) Attention Is All You Need NeurIPS

  • Devlin, Chang, Lee, Toutanova (2019) BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding NAACL


本文转载自: https://blog.csdn.net/suic009/article/details/128277313
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