学习笔记：深度学习（6）——基于深度学习的语言模型

学习时间：2022.04.22~2022.04.25

5. 基于深度学习的语言模型

5.1 从NNLM到词嵌入

从语言模型到词嵌入Word Embedding。一些基于CNN或RNN的结构本节并未提及，可见：深度学习NLP的各类模型及应用总结。

5.1.1 神经网络语言模型 NNLM

Neural Network Language Model，NNLM，生于2003，火于2013。

NNLM依然是一个概率语言模型，它通过神经网络来计算概率语言模型中每个参数。与N-gram模型一样是求$P(X_n|X_1^{n-1})$ ，NNML通过输入一段文本，预测下一个单词的方式来建立模型。采用的是MLP+tanh+softmax模型，使用交叉熵作为损失函数，反向传播算法进行训练。

模型解释：

• 输入层：将context(w)每个词映射成一个长度为m的词向量（长度训练者指定，一般使用tf.random_normal随机初始化生成nxm的矩阵），词向量在开始是随机的，也是超参数参与网络训练；
• 使用随机初始化的方法建立一个$|m|\times N$个词大小的查找表(lookup table)；
• context(w)：可以称之为上下文窗口长度，类似N-gram取多少个词作为添加。例如上下文窗口长度为$c=3$，则循环取四个词，前三个为特征值，最后一个为目标值；
• 投影层：将所有的上下文此项来给你拼接成一个长向量，作为目标w的特征向量。长度为$m(n-1)$；
• 隐藏层：拼接后的向量会经过一个规模为h的隐藏层，论文中使用tanh激活函数；
• 输出层：最后输出会通过softmax输出所有n个词的大小概率分布。

缺陷：

• 计算复杂度过大，参数较多（word2vec是一种改进的办法）；仍然限制于N的大小，最好的就是不限制N的数量，且跟前后任意词汇都可能产生依赖，那么基于循环神经网络的RNNLM就是解决办法，因为RNN天生的结构就是针对序列前后任意长度的依赖的。
• 模型优化不够，输出的类别较多导致训练过慢、自回归语言模型，无法获取下文信息、早期方案，应用较少，一般python工具不会集成；

5.1.2 基于循环神经网络的语言模型 RNNLM

Recurrent Neural Network Language Model，RNNLM。

引入了RNN，形成了一个根据上下文，预测下一个词语概率的模型，所以以后想要预测某个句子S的概率，就可以按照模型计算多个时刻的P，相乘，即可得到句子的概率。天生的结构能处理任意长度的序列的依赖，可以不用人为限制模型输入长度。缺陷是计算和训练时间长。

5.1.3 Word2Vec

Word2Vec是2013年Google发布的工具，也可以说是一个产生词向量的一群模型组合。该工具主要包含两个词向量的生成模型，跳字模型（skip-gram）和连续词袋模型（continuous bag of words，CBOW），以及两种高效训练（优化加速）的方法：负采样（negative sampling）和层序softmax（hierarchical softmax）。Word2vec 本质上是一种降维操作——把词语从one-hot形式的表示降维到Word2vec表示的词嵌入。

由于 Word2vec 会考虑上下文，跟之前的Embedding方法相比，效果要更好；比之前的Embedding方法维度更少，所以速度更快；通用性很强，可以用在各种NLP任务中。但由于词和向量是一对一的关系，所以多义词的问题无法解决；word2vec是一种静态的方式，虽然通用性强，但是无法针对特定任务做动态优化。

需要说明的是：Word2vec 是上一代的产物（18年之前），18年之后想要得到最好的效果，已经不使用Word Embedding的方法了，所以也不会用到 Word2vec。

1. 词向量的生成模型

即Word2Vec如何计算得到词向量，一次计算只能采用一种方式。

个人理解：两种方式本质上都是一样的，网络结构、权重$W$的大小和位置都一样。

（1）连续词袋模型CBOW

核心思想是从一个句子里面把一个词抠掉，在上下文已知的情况下，预测被抠掉的这个词出现的概率。

eg：把 {“The”,“cat”,“over”,“the”,“puddle”} 作为上下⽂，希望从这些词中预测或者⽣成中心词“jumped”。

CBOW模型的网络图如下，是一个简单的3层神经网络（输入层到Projection层没有非线性变换）：

• 输入层：输入上下文单词的onehot（不包括单词本身），假设单词向量空间维度为$V\times 1$，上下文单词个数为$C$；
• 隐藏/投影层：所有onehot分别乘共享的输入权重$W$（初始化权重矩阵$W$为$N\times V$矩阵，$N$为自己设定的数），所得的向量相加求平均作为隐层向量，Size为$N\times 1$；
• 输出层：隐藏层计算得到的$N\times 1$向量作为隐藏层的输入向量，乘输出权重矩阵$W^{\prime }$（$W^{\prime }$为$V\times N$矩阵），得到$V\times 1$的输出向量，最后经过激活函数Softmax得到$V-dim$的概率分布，其中概率最大的index所指示的单词为预测出的中间词（也是one hot）；
• 损失函数：预测得到的one hot与真实的one hot进行对比，采用交叉熵损失函数，通过梯度下降反向传播更新参数$W$，这也是我们通过训练最终需要的权重矩阵。

（2）跳字模型Skip-Gram

与CBOW正好相反，Skip-Gram是输入某个单词，要求网络预测它的上下文单词。相当于给你一个词，让你猜前面和后面可能出现什么词。

• 我们拥有的词汇库大小是$V$（one hot的维数），预测模型输出的的窗口大小是$C$，$C=2R$，我们的嵌入词向量的低维维度是$N$；
• 输入层：1个词的one-hot的原始词向量（$V\times 1$）；由于嵌入词向量矩阵是唯一的，所以从输入层到隐藏层的权重$W$（词向量矩阵，$N\times V$）是唯一的，共享的；
• 隐藏/投影层：这一层输出经过$W$加权处理的矩阵$N\times 1$；从隐藏层到输出层的权重矩阵$W^{\prime }$是$V\times N$矩阵；
• 输出层：矩阵和权重相乘得到$V\times C$矩阵的输出，最后经过softmax处理得到所有单词的one hot概率形式；
• 损失函数：同样，根据预测得到的one hot与真实的one hot进行对比，采用交叉熵损失函数，通过梯度下降反向传播更新参数$W$和$W^{\prime }$。最后所得的权重矩阵$W$就是我们所求的嵌入词向量Embedding矩阵。

有一点需要说明的是，因为一个中心词对应的上下文词可能有多个，所以正样本会有多个pair对<input_word，output_context1>，<input_word，output_context2>等，所以相同的语料，skip-gram比cbow训练的要更久。

2. 优化模型的加速方法

利用softmax求概率值时，每一次的训练我们都需要将词表里的每一个词都计算一遍（对所有的词进行排序，然后取最大值），这样遍历整个词表的操作会在大语料库计算时变得异常耗时、困难。因此，word2vec还有两个加速运算的机制，层次softmax和负采样。

两种方法好像没必要同时使用：层次Softmax和负采样能同时应用在Word2Vec模型中吗。

（1）Hierarchical Softmax

详细解释：word2vec原理(二) 基于Hierarchical Softmax的模型。

原理：为了避免隐藏层到输出的softmax层这里的庞大计算量，采用哈夫曼树来代替从隐藏层到输出softmax层的映射。哈夫曼树的所有内部节点就类似之前神经网络投影层的神经元，其中，根节点的词向量对应我们的投影后的词向量，而所有叶子节点就类似于之前神经网络softmax输出层的Vector，叶子节点的个数就是词汇表的大小。

在哈夫曼树中，隐藏层到输出层的Softmax映射不是一下子完成的，而是沿着哈夫曼树一步步完成的，因此这种Softmax取名为"Hierarchical Softmax"。其时间复杂度就从$O(n)$变成了 O ( l o g n ) O(log^n)