论文分享 - Reasoning with Memory Augmented Neural Networks for Language Comprehension

关键词

Memory, reasoning

来源

arXiv 2016.10.20

问题

在此之前，所有 multi-turn 模型都为多跳推断预先设定了固定的跳数。但是并不是所有的 document-query 对都需要同样的推理步数，有的只需要词或者句子级别的匹配，有的需要复杂的语义理解和深度推理。基于此，本文提出了动态调整跳数的模型。

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文章思路

Memory Initialization

首先通过 Bi-LSTM 对 document、query 中每个词分别编码，将前向后向隐层状态拼接分别组成 document、query 词的 memory 初始值。如下：

Mq0=BiLSTMq(Q)Md=BiLSTMd(D)

Hypothesis Testing

query 和 document 的 memory 都要经过假设检验循环这样一个迭代过程来处理。每次循环中，query meomory 都要利用 document memory 的内容来更新来形成新的 query (也就是 hypothesis formulation)。新的 query 利用 document 事实来检验并且用来做答案预测 (也就是 hypothesis testing)
这一部分由 Neural Semantic Encoder (NSE) 控制，分为三个模块：read、compose、write。

Read 模块

这一模块把前一时刻 document 和 query 的状态作为输入，初始状态为 Bi-LSTM 的最终状态。作如下计算

rt=readLSTM([sqt−1;sdt−1])lqt=rTtMqt−1sqt=softmax(lqt)TMqt−1zqt=sigmoid(lqt)ldt=sqtTMdsdt=softmax(ldt)TMd

Compose 模块

将当前的 document、query 和 read 模块当前隐层状态组合起来

ct=composeMLP(sdt,sdt,rt)

这一模块可以看做从当前的 document、query 对抽取特征的过程；通过接受 rt，也就把 read 的当前决策告诉了 write 模块。

Write 模块

这一模块接收 read 模块，并更新 query memory

Mqt=Mqt−1(1−zqt)+sdtzqt

其中 1 表示全 1 矩阵。同时 write 模块也负责检验新的假设。文中提出了两种策略：query gating、adaptive computation。下图给出两种策略的图像化描述

Query Gating
这种策略并不对是否终止循环做出硬性决策，而是在词的级别上做 query memory gating

wt=writeLSTM(ct)gqt=sigmoid(wTtMqt−1)Mqt=Mqt(1−gqt)+Mqt−1gqt

在这种策略下，期望 write 模块能够在假设正确时锁住 query 状态。假设检验的步数 T 是模型中的一个超参。
Adaptive Computation
这种策略拥有终止机制，每步上，write 模块都会输出一个终止得分 et，计算方式如下

wt=writeLSTM(ct)et=sigmoid(oTwt)

其中 o 是一个可训练的量。然后 t 步后的终止概率按如下公式计算：

pt=et∏i=1t−1(1−ei)

这里也用 T 表示最大允许步数。如果 T 步后，模型仍然没有终止，就强迫模型输出结果。在这种情况下，终止阅读的概率如下

pT=1−∑i=1T−1pi

Answer Prediction

在 t 步，采用 query-to-document 对齐打分 ldt

来计算概率

Pi(a|Q,D)=vTsoftmax(ldt)

对于 query gating 模型，使用最后一步的概率 PT(a|Q,D) 选择结果；
对于 adaptive computation 模型，使用如下公式计算正确答案

P(a|Q,D)=∑i=1T(pi⋅Pi(a|Q,D))

注：在实验中，read 和 write 模块都采用了单层 LSTM 网络，compose 模块采用了单层 MLP。

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资源

论文地址：https://arxiv.org/abs/1610.06454
代码地址：近期会放出

相关工作

EpiReader 这一模型做两个阶段的计算。首先利用 Attention Sum Reader 选出最可能的 K 个答案填到原始问题 placeholder 中形成新的问题。然后利用 EpiReader 在 document 和新的 query 之间做一个 entailment estimation 来预测答案。但是 entailment estimation 为它的应用带来了限制。

简评

最终实验证明在 T = 12 时，adaptive computation 方法在 CBT 和 WDW 两个数据集上都取得了最佳效果。本文受人脑中的假设检验过程启发，从而提出这样一个模型，解决了推理网络的跳数自适应问题。

转载： https://blog.youkuaiyun.com/u014300008/article/details/53097201