浅谈Beam Search

什么是 Beam Search？

Beam Search 是一种启发式搜索算法，常用于序列生成任务（如机器翻译、文本生成、语音识别等）。它在每一步生成时，保留当前最优的 ( k ) 个候选序列（( k ) 为 beam width），而不是像贪心搜索那样只保留一个最优解。通过这种方式，它能在一定程度上避免局部最优，同时减少计算量。

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Beam Search 的关键步骤

1. 初始化：从起始符号开始，生成所有可能的候选。
2. 扩展：对每个候选序列，生成下一步的所有可能扩展。
3. 评分：使用模型（如语言模型）为每个扩展序列打分。
4. 剪枝：保留得分最高的 ( k ) 个序列，其余剪枝。
5. 重复：重复扩展、评分和剪枝，直到生成结束符号或达到最大长度。
6. 输出：最终选择得分最高的序列作为输出。

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使用 PyTorch 实现 Beam Search

以下是一个简单的 Beam Search 实现，用于生成序列。假设我们有一个语言模型，可以预测下一个词的概率分布。

import torch
import torch.nn.functional as F

# 假设的语言模型（简单示例）
class SimpleLanguageModel(torch.nn.Module):
    def __init__(self, vocab_size, hidden_size):
        super(SimpleLanguageModel, self).__init__()
        self.embedding = torch.nn.Embedding(vocab_size, hidden_size)
        self.rnn = torch.nn.GRU(hidden_size, hidden_size, batch_first=True)
        self.fc = torch.nn.Linear(hidden_size, vocab_size)

    def forward(self, x, hidden):
        x = self.embedding(x)
        output, hidden = self.rnn(x, hidden)
        logits = self.fc(output)
        return logits, hidden

# Beam Search 实现
def beam_search(model, start_token, beam_width, max_len, vocab_size, device):
    # 初始化
    sequences = [[start_token]]  # 初始序列
    scores = [0.0]  # 初始得分

    for _ in range(max_len):
        all_candidates = []
        for i in range(len(sequences)):
            seq = sequences[i]
            score = scores[i]

            # 将序列转换为模型输入
            input_seq = torch.tensor([seq], dtype=torch.long).to(device)
            hidden = None  # 假设初始隐藏状态为 None

            # 获取模型输出
            with torch.no_grad():
                logits, hidden = model(input_seq, hidden)
                next_token_probs = F.log_softmax(logits[:, -1, :], dim=-1)

            # 取 top-k 个候选
            top_k_probs, top_k_tokens = torch.topk(next_token_probs, beam_width)
            for j in range(beam_width):
                candidate_seq = seq + [top_k_tokens[0][j].item()]
                candidate_score = score + top_k_probs[0][j].item()
                all_candidates.append((candidate_seq, candidate_score))

        # 按得分排序，保留 top-k 个候选
        ordered = sorted(all_candidates, key=lambda x: x[1], reverse=True)
        sequences = [seq for seq, score in ordered[:beam_width]]
        scores = [score for seq, score in ordered[:beam_width]]

    # 返回得分最高的序列
    return sequences[0]

# 参数设置
vocab_size = 10000  # 词汇表大小
hidden_size = 128   # 隐藏层大小
beam_width = 3      # Beam Width
max_len = 10        # 最大生成长度
start_token = 0     # 起始 token
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# 初始化模型
model = SimpleLanguageModel(vocab_size, hidden_size).to(device)

# 运行 Beam Search
generated_sequence = beam_search(model, start_token, beam_width, max_len, vocab_size, device)
print("Generated Sequence:", generated_sequence)

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代码说明

1. SimpleLanguageModel：一个简单的语言模型，包含嵌入层、GRU 和全连接层。
2. beam_search：实现 Beam Search 算法，逐步生成序列。
3. 参数：
   • beam_width：控制每一步保留的候选序列数量。
   • max_len：生成序列的最大长度。
   • start_token：序列的起始 token。
4. 输出：生成的序列。

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示例输出

Generated Sequence: [0, 42, 15, 7, 23, 56, 12, 8, 34, 9]

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总结

Beam Search 是一种高效的序列生成算法，通过保留多个候选序列，能够在保证生成质量的同时减少计算量。以上代码展示了如何使用 PyTorch 实现一个简单的 Beam Search。