语言模型

今天介绍另一个NLP任务——机器翻译，以及神经网络机器翻译模型seq2seq和一个改进技巧attention。 机器翻译最早可追溯至1950s，由于冷战的需要，美国开始研制由俄语到英语的翻译机器。当时的机器翻译很简单，就是自动从词典中把对应的词逐个翻译出来。 后来在1990s~2010s，统计机器翻译（Statistical Machine Translation, SMT）大行其道。假设源语言是法语\(x\)，目标语言是英语\(y\)，机器翻译的目标就是寻找\(y\)，使得\(P(y|x)\)最大，也就是下图的公式。进一步，通过贝叶斯公式可拆分成两个概率的乘积：其中\(P(y)\)就是之前介绍过的语言模型，最简单的可以用n-gram的方法；\(P(x|y)\)是由目标语言到源语言的翻译模型。为什么要把\(P(y|x)\)的求解变成\(P(x|y)*P(y)\)？逐个击破的意思，\(P(x|y)\)专注于翻译模型，翻译好局部的短语或者单词；而\(P(y)\)就是之前学习的语言模型，用来学习整个句子\(y\)的概率，专注于翻译出来的句子从整体上看起来更加通顺、符合语法与逻辑。所以问题就转化为怎样求解\(P(x|y)\)。 SMT进一步把\(P(x|y)\)分解成\(P(x,a|y)\)，其中\(a\)表示一个对齐alignment，可以认为是两种语言之间单词和单词或短语和短语的一个对齐关系。如下图所示是一个英语和法语的alignment。对齐本身就很复杂，存在1对1，1对多，多对1，多对多等情况，所以\(P(x,a|y)\)的求解在给定\(y\)的情况下，不但要考虑对齐方案\(a\)的情况\(P(a|y)\)，还需要考虑对齐之后词与词的翻译情况\(P(x|a,y)\)，可能的情况非常多。 那么，SMT怎样找到\(\arg max_y\)呢？穷举所有情况是不可能的，启发式搜索是可行的。形象描述就是在搜索过程中，对概率较低的路径进行剪枝，只保留概率较大的翻译情况。如下图的搜索树，对于概率较低的路径就不往下搜索了。 总之，统计机器翻译非常复杂，有很多的子模块，需要很多的人工干预和特征工程。 2014年，seq2seq模型横空出世，神经网络机器翻译（Neural Machine Translation, NMT）方兴未艾。seq2seq顾名思义，就是从序列到序列的模型，因为机器翻译的源语言和目标语言都是seq。 seq2seq的NMT如下图所示，它由两个RNN组成，左边的红色部分称为Encoder RNN，它负责对源语言进行编码（Encode）；右边的绿色部分称为Decoder RNN，它负责对目标语言进行解码（Decode）。首先，Encoder RNN可以是任意一个RNN，比如朴素RNN、LSTM或者GRU。Encoder RNN负责对源语言进行编码，学习源语言的隐含特征。Encoder RNN的最后一个神经元的隐状态作为Decoder RNN的初始隐状态。Decoder RNN是一个条件语言模型，一方面它是一个语言模型，即用来生成目标语言的；另一方面，它的初始隐状态是基于Encoder RNN的输出，所以称Decoder RNN是条件语言模型。Decoder RNN在预测的时候，需要把上一个神经元的输出作为下一个神经元的输入，不断的预测下一个词，直到预测输出了结束标志符<END>，预测结束。Encoder RNN的输入是源语言的word embeding，Decoder RNN的输入是目标语言的word embeding。 seq2seq是一个很强大的模型，不但可以用来做机器翻译，还可以用来做很多NLP任务，比如自动摘要、对话系统等。 seq2seq作为一个条件语言模型，形式化来说，它直接对\(P(y|x)\)进行建模，在生成\(y\)的过程中，始终有\(x\)作为条件，正如下图的条件概率所示。 上面介绍了seq2seq的预测过程，seq2seq的训练过程如下图所示。训练的时候，我们同时需要源语言和翻译好的目标语言，分别作为Encoder RNN和Deocder RNN的输入。对于Encoder RNN没什么好说的。Decoder RNN在训练阶段，每一个时间步的输入是提供的正确翻译词，输出是预测的下一个时间步的词的概率分布，比如在\(t=4\)，预测输出是\(\hat y_4\)，而正确答案是“with”，根据交叉熵损失函数，\(J_4=-\log P(“with”)\)。总的损失函数就是所有时间步的损失均值。 seq2seq的训练过程是end2end的，即把Encoder RNN和Decoder RNN作为一个整体进行训练，不会像SMT一样有很多的子模块单独训练。当然seq2seq也可以单独对encoder和deconder进行训练优化，再组合，但是这个效果不一定会比整体优化encoder和deconder更好。 上上张图介绍的seq2seq的预测过程，实际上是一个贪心的预测过程，即在Decoder RNN的每一步都贪心选择\(\hat y_t\)概率最大的那个词。但是贪心只能保证每一步是最优的，无法保证预测出来的句子整体是最优的。特别是如果在\(t\)时刻贪心选择的词不是全局最优，会导致\(t\)时刻往后的所有预测词都是错误的，没有回头路了。但是如果每个时间步都穷举所有可能的情况的话，时间复杂度\(O(V^T)\)又太高了。 Beam search搜索策略是贪心策略和穷举策略的一个折中方案，它在预测的每一步，都保留Top-k高概率的词，作为下一个时间步的输入。k称为beam size，k越大，得到更好结果的可能性更大，但计算消耗也越大。请注意，这里的Top-k高概率不仅仅指当前时刻的\(\hat y_t\)的最高概率，而是截止目前这条路径上的累计概率之和，如下图的公式所示。 举例如下，假设\(k=2\)，第一个时间步保留Top-2的词为”he”和”I”，他们分别作为下一个时间步的输入。”he”输入预测输出前两名是”hit”和”struck”，则”hit”这条路的累加概率是”he”的概率加上”hit”的概率=-1.7，类似的可以算出其他几个词对应路径的概率打分。最后在这4条路上保留\(k=2\)条路，所以”hit”和”was”对应路径保留，作为下一个时间步的输入；”struck”和”got”对应路径被剪枝。 最终的搜索树如下图所示，可以看到在每个时间步都只保留了\(k=2\)个节点往下继续搜索。最后”pie”对应的路径打分最高，通过回溯法得到概率最高的翻译句子。请注意，beam search作为一种剪枝策略，并不能保证得到全局最优解，但它能以较大的概率得到全局最优解，同时相比于穷举搜索极大的提高了搜索效率。 在beam search的过程中，不同路径预测输出结束标志符<END>的时间点可能不一样，有些路径可能提前结束了，称为完全路径，暂时把这些完全路径放一边，其他路径接着beam search。beam search的停止条件有很多种，可以设置一个最大的搜索时间步数，也可以设置收集到的最多的完全路径数。 当beam search结束时，需要从n条完全路径中选一个打分最高的路径作为最终结果。由于不同路径的长度不一样，而beam search打分是累加项，累加越多打分越低，所以需要用长度对打分进行归一化，如下图所示。那么，为什么不在beam search的过程中就直接用下面的归一化打分来比较呢？因为在树搜索的过程中，每一时刻比较的两条路径的长度是一样的，即分母是一样的，所以归一化打分和非归一化打分的大小关系是一样的，即在beam search的过程中就没必要对打分进行归一化了。 ...

梯度消失 今天介绍RNN的梯度消失问题以及为了解决这个问题引出的RNN变种，如LSTM何GRU。 在上一篇博客中，通过公式推导，我们已经解释了RNN为什么容易产生梯度消失或梯度爆炸的问题，核心问题就是RNN在不同时间步使用共享参数\(W\)，导致\(t+n\)时刻的损失对\(t\)时刻的参数的偏导数存在\(W\)的指数形式，一旦\(W\)很小或很大就会导致梯度消失或梯度爆炸的问题。下图形象的显示了梯度消失的问题，即梯度不断反传，梯度不断变小（箭头不断变小）。 梯度消失会带来哪些问题呢？一个很明显的问题就是参数更新更多的受到临近词的影响，那些和当前时刻\(t\)较远的词对当前的参数更新影响很小。如下图所示，\(h^{(1)}\)对\(J^{(2)}(\theta)\)的影响就比对\(J^{(4)}(\theta)\)的影响大。久而久之，因为梯度消失，我们就不知道\(t\)时刻是真的对\(t+n\)时刻没影响还是因为梯度消失导致我们没学习到这种影响。 下图是一个更形象的例子，假设我们需要预测句子The writer of the books下一个单词，由于梯度消失，books对下一个词的影响比writer对下一个词的影响更大，导致模型错误的预测成了are，但这显然是不对的。 类似的，如果梯度爆炸，则根据梯度下降的更新公式，参数会一瞬间更新非常大，导致网络震荡，甚至出现Inf或NaN的情况。 梯度爆炸一个比较好的解决方法是梯度裁剪，即如果发现梯度的范数大于某个阈值，则以一定的比例缩小梯度的范数，但不改变其方向。如下下图所示，左子图是没有梯度裁剪的情况，由于RNN的梯度爆炸问题，导致快接近局部极小值时，梯度很大，参数突然爬上悬崖，然后又飞到右边一个随机的区域，miss掉了中间的局部极小值。右子图是增加了梯度裁剪之后，更新步伐变小，参数稳定在局部极小值附近。 总的来说，梯度爆炸相对好解决，但梯度消失就没那么简单了。在RNN中，每个时刻\(t\)，都改写了前一个时刻的隐状态，而由于梯度消失问题，长距离以前的状态对当前时刻的影响又很小，所以导致无法建模长距离依赖关系。那么，如果把每个时刻的状态单独保存起来，是否能解决长距离依赖问题呢？ LSTM LSTM就是这样一个思路，请大家结合如下两幅图来理解： （下图）首先，从宏观上来说，LSTM的隐层神经元不仅包含隐状态\(h_t\)，还专门开辟了一个cell来保存过去的“记忆”\(c_t\)，LSTM希望用\(c_t\)来传递很久以前的信息，以达到长距离依赖的目的。所以LSTM隐层神经元的输入是上一时刻的隐状态\(h_{t-1}\)和记忆\(c_{t-1}\)，输出是当前时刻的隐状态\(h_t\)和希望传递给下一个时刻的记忆\(c_t\)。 （上图）每个时刻\(t\)，为了调控遗忘哪些记忆，写入哪些新记忆，LSTM设置了两个门，分别是遗忘门\(f^{(t)}\)和写入门\(i^{(t)}\)。它们都是上一时刻的隐状态\(h^{(t-1)}\)和当前时刻的输入\(x^{(t)}\)的函数。\(f^{(t)}\)控制遗忘哪些记忆，即\(f^{(t)}\circ c^{(t-1)}\)；\(i^{(t)}\)控制写入哪些新记忆，即\(i^{(t)}\circ \tilde c^{(t)}\)，其中\(\tilde c^{(t)}\)即为期望写入的新记忆，它也是\(h^{(t-1)}\)和\(x^{(t)}\)的函数。最终，新时刻\(t\)的记忆就是这两部分的组合，请看上图\(c^{(t)}\)表达式。 （上图）输出门\(o^{(t)}\)控制哪些记忆需要输出到下一个隐状态\(h^{(t)}\)，\(o^{(t)}\)自己又是\(h^{(t-1)}\)和\(x^{(t)}\)的函数。 大家结合上图的公式和下图的示意图就不难理解了。 LSTM解决梯度消失最直接的方法就是，遗忘门选择不遗忘，每一时刻的\(f^{(t)}\)都选择记住前一时刻的记忆\(c^{(t-1)}\)，然后直接传递给下一时刻。那么，所有前\(t-1\)时刻的记忆都会被完整的传递给第\(t\)时刻，从而对\(t\)时刻的输出产生影响。 而朴素RNN无法保存前期状态的原因就是因为朴素RNN把之前时间步的信息都一股脑存储在隐状态\(h^{(t)}\)中了，隐状态\(h^{(t)}\)成为了整个网络的瓶颈，一旦出现梯度消失，则很久以前的信息对当前时刻的影响就微乎其微了。LSTM的关键就是开辟了一个新的cell来存储记忆，这个新的cell相当于记忆的一条捷径，时刻\(t\)除了可以像常规RNN一样通过\(h^{(t-1)}\)来获取很久以前的信息，还可以通过cell存储的记忆\(c^{(t-1)}\)来便捷地获取到很久以前的信息，所以隐状态\(h^{(t)}\)不再成为整个网络的瓶颈，有新的cell来分担。 需要提醒的是，虽然LSTM开辟新的cell来存储记忆，但这个记忆也会受到连续梯度相乘的影响，所以依然存在梯度消失或梯度爆炸的问题，但从实际效果来看，LSTM性能很不错，也很鲁棒。 GRU 另一种能缓解RNN梯度消失的网络——GRU。为了简化LSTM，GRU又没有cell了，但依然保留了门来控制信息的传递。首先看下图最后一个公式，当前时刻的隐状态\(h^{(t)}\)等于上一时刻的隐状态\(h^{(t-1)}\)和新写入的隐状态\(\tilde h^{(t)}\)的加权平均，通过更新门\(u^{(t)}\)来控制它们之间的比例，\(u^{(t)}\)是上一时刻的隐状态\(h^{(t-1)}\)和当前时刻的输入\(x^{(t)}\)的函数。新写入的隐状态\(\tilde h^{(t)}\)又通过一个重置门\(r^{(t)}\)来控制，类似的，\(r^{(t)}\)也是\(h^{(t-1)}\)和\(x^{(t)}\)的函数。 个人觉得，GRU中的更新门\(u^{(t)}\)类似于LSTM中的输出门\(o^{(t)}\)；GRU中的重置门\(r^{(t)}\)类似于LSTM中的遗忘门\(f^{(t)}\)和写入门\(i^{(t)}\)的组合；GRU中新写入的隐状态\(\tilde h^{(t)}\)类似于LSTM中的细胞记忆\(c^{(t)}\)。所以，可以把GRU看作LSTM的简化版本。 直观来说，GRU和LSTM类似，解决梯度消失的策略就是新增\(u^{(t)}\)来控制\(h^{(t-1)}\)和\(\tilde h^{(t)}\)的比例，如果\(u^{(t)}=0\)，则\(h^{(t)}=h^{(t-1)}\)，即\(t\)时刻的隐状态和上一时刻的隐状态相同，虽然这肯定效果不好，但至少说明GRU是有能力保留之前的隐状态的。 GRU和LSTM的性能差不多，但GRU参数更少，更简单，所以训练效率更高。但是，如果数据的依赖特别长且数据量很大的话，LSTM的效果可能会稍微好一点，毕竟参数量更多。所以默认推荐使用LSTM。 其他缓解梯度消失的策略 由于链式法则，或者所选非线性激活函数的原因，不仅仅RNN，所有神经网络都存在梯度消失或者梯度爆炸的问题，比如全连接网络和CNN。一些通用解决方法如下： ResNet。因为梯度是在传递的过程中逐渐减小并消失的，如果跨越好几层直接进行连接，天然能保持远距离信息。个人理解，这就相当于买家和卖家直接相连，没有中间商赚差价\(\mathcal F(x)\)，买到的价格最接近卖出的价格\(x\)。能一定程度上减弱梯度消失的问题。 更激进的是DenseNet，把跨越多层之间的很多神经元都连起来，也就是说有更多的线路没有中间商赚差价，进一步减弱梯度消失问题。 HighwayNet。借鉴了LSTM和GRU的思路，不是像ResNet一样直接新增一条直连线路\(x\)，而是搞一个平衡因子\(u\)，卖家到买家的价格由\(u\)进行调和平均：\(u*\mathcal F(x)+(1-u)*x\)，用\(u\)来控制多少走中间商，多少走直连线路。 虽然所有神经网络都存在梯度消失的问题，但RNN的这个问题更严重，因为它连乘的是相同的权重矩阵W，而且RNN针对的是序列问题，往往更深。 双向RNN 假设我们在对句子进行情感分类，如下图所示。对于terribly这个词，常规RNN，terribly的梯度只能看到左边的信息，看不到右边的信息，因为网络是从左到右的。单独看terribly或者从左往右看，在没有看到exciting时，可能认为terribly是贬义词，但是如果跟右边的exciting结合的话，则意思变为强烈的褒义词，所以有必要同时考虑左边和右边的信息。 双向RNN包含两个RNN，一个从左往右，一个从右往左，两个RNN的参数是独立的。最后把两个RNN的输出拼接起来作为整体输出。那么，对于terribly这个词，它的梯度能同时看到左边和右边的信息。 由于双向RNN对于某个时刻\(t\)，既需要知道\(t\)时刻前的信息（Forward RNN），又需要知道\(t\)时刻之后的信息（Backward RNN），所以双向RNN无法用于学习语言模型，因为语言模型只知道时刻\(t\)之前的信息，下一时刻的词需要模型来预测。对于包含完整序列的NLP问题，双向RNN应该是默认选择，它通常比单向RNN效果更好。 多层RNN 前面展示的RNN从时间\(t\)的维度上来说可以认为是多层的，但是RNN还可以从另一个维度来增加层数。如下图所示，将上一层（RNN layer 1）的输出作为下一层（RNN layer 2）的输入，不断堆叠下去，变成一个多层RNN。通常来说，深度越大，性能越好，如果梯度下降能训练好的话。 RNN的层数通常不会很深，不会像CNN一样，达到上百层，RNN通常2层，最多也就8层。一方面是RNN的梯度消失问题比较严重，另一方面是RNN训练的时候是串行的，不易并行化，导致网络太深的话训练很花时间。 ...

今天要介绍一个新的NLP任务——语言模型（Language Modeling, LM），以及用来训练语言模型的一类新的神经网络——循环神经网络（Recurrent Neural Networks, RNNs）。 语言模型就是预测一个句子中下一个词的概率分布。如下图所示，假设给定一个句子前缀是the students opened their，语言模型预测这个句子片段下一个词是books、laptops、exams、minds或者其他任意一个词的概率。形式化表示就是计算概率 $$\begin{eqnarray}P(x^{(t+1)}|x^{(t)},…,x^{(1)})\tag{1}\end{eqnarray}$$\(x^{(t+1)}\)表示第\(t+1\)个位置（时刻）的词是\(x\)，\(x\)可以是词典\(V\)中的任意一个词。 既然语言模型在给定前t个词之后可以预测第t+1个词的概率，那么预测到第t+1个词之后，又可以递归的根据前t+1个词预测第t+2个词，如此不断的进行下去，就可以预测一整个句子的概率了。所以，也可以把语言模型看做一个可以计算一个句子出现的概率的系统，形式化表示就是如果一个句子是\(x^{(1)},…,x^{(T)}\) ，那么语言模型可以计算句子概率 $$\begin{eqnarray}P(x^{(1)},…,x^{(T)})& = & P(x^{(1)})\times P(x^{(2)}|x^{(1)})\times…\times P(x^{(T)}|x^{(T-1)},…,x^{(1)}) \tag{2}\\& = & \prod_{t=1}^T P(x^{(t)}|x^{(t-1)},…,x^{(1)})\tag{3}\end{eqnarray}$$可以看到(3)式连乘的项就是(1)式，所以这两个定义的内涵是一样的。 那么语言模型有什么用呢？它的用处可大了，比如现在的输入法会根据前一个输入的词预测下一个将要输入的词，此所谓智能输入法；比如在百度或谷歌搜索时，输入前几个关键词，搜索引擎会自动预测接下来可能的几个词；比如网上有很多智能AI会自动生成新闻、诗歌；还比如用在语音识别、机器翻译、问答系统等等。可以说语言模型是很多NLP任务的基础模块，具有非常重要的作用。 在前-深度学习时代，人们使用n-gram方法来学习语言模型。对于一个句子，n-gram表示句子中连续的n个词，比如还是上图的例子，n-gram对于n=1,2,3,4的结果是： 1-grams (unigrams): “the”, “students”, “opened”, “their” 2-grams (bigrams): “the students”, “students opened”, “opened their” 3-grams (trigrams): “the students opened”, “students opened their” 4-grams: “the students opened their” n-gram方法有一个前提假设，即假设每个词出现的概率只和前n-1个词有关，比如2-gram对于每个词出现的概率只和前面一个词有关，和更前面的词以及后面的词都没有关系，所以我们有如下图的assumption。又这是一个条件概率，展开之后得到如下除法的形式。n-gram的计算方法就是，统计语料库中出现\(x^{(t)},…,x^{(t-n+2)}\)的次数（分母），以及在这个基础上再接一个词\(x^{(t+1)}\)的次数\(x^{(t+1)},x^{(t)},…,x^{(t-n+2)}\)（分子），用后者除以前者来近视这个条件概率。 举个例子，假设完整的句子是as the proctor started the clock, the students opened their，需要预测下一个词的概率分布。对于4-gram方法，则只有students opened their对下一个词有影响，前面的词都没有影响。然后我们统计训练集语料库中发现，分母students opened their出现1000次，其后接books即students opened their books出现了400次，所以P(books|students opened their)=400/1000=0.4。类似的，可以算出下一个词为exams的概率是0.1。所以4-gram方法认为下一个词是books的概率更大。 ...