语言模型（二）—— 神经网络语言模型（NNLM）

n-gram回顾

在上一篇笔记语言模型（一）—— 统计语言模型n-gram语言模型中我们已经了解到了n-gram的不足，在理解神经网络语言模型之前，我们有必要简单地回顾一下n-gram模型的几个特点：

基于统计的语言模型，是一种离散型的语言模型，所以泛化能力差。
参数量大，随着 n 的增大，参数空间呈指数增长容易出现维度灾难的问题；巨大的参数量也使得模型无法与n-1个词之外的词建立联系。即不能进行上下文的回溯，不能解决上下文物主代词指代问题。
数据稀疏除了带来数据空间增大的问题之外，还有一个问题：无法表征词语之间的相似关系。

NNLM的理解

鉴于上面的问题，人们开始尝试用神经网络来建立语言模型，最经典的无疑是Bengio 的文章A Neural Probabilistic Language Model，文章中提出了如下图所示的前馈神经网络结构：

先从整体上看，上述模型属于比较简单而传统的神经网络模型，主要由输入层-隐藏层-输出层组成，经过前向传播和反向传播来进行训练。我个人觉得，理解上面这张图的关键点在于理解词向量，即图中的C(wt-n+1)…C(wt-1)等。那我们就从词向量的映射开始，一层一层往上看。

前向传播

从单词到输入层

在最最开始，我们必须要重提一下语言模型的目的：判断一句话是不是人话。途径是啥？——通过前面的词预测后面的词。而其实神经网络语言模型是基于n-gram演变而来的，即核心是根据前n-1个词预测第n个词，那么我们模型最开始的输入就是前n-1个词。

那么我们又是怎么来表征前n-1个词的呢？答案是词向量。

感觉越说越懵是不是，那么词向量是什么？一个词又是怎么变成词向量的呢？我们慢慢来看。

从Ont-hot到Word Embedding：

词语转化为数字的最简单的形式就是One-hot，简单来说就是假设有一个大小为V的固定排序的词表，里边包含V个词，假设第二个词是“电视”，那么我们用一个维度为V的特征向量表达就是[0,1,0,0,…,0]，即该词语在词表中的位置对应在特征向量中的位置的值为1，其他位置都为0。One-hot编码有一个最大的问题就是数据稀疏问题，当词表很大（比如我们现在有一个含80000个词的词表）时，数据稀疏会让整个计算量都变得很大。且词语之间的关联关系得不到表达。

那么词向量（Word Embedding）又是什么呢？人们也叫他词嵌入，就是说我现在不用One-hot那样的稀疏向量来表征我这个词了，我就用一个低维度的向量来表征我这个词，当你很难理解的时候你可以说它是玄学，反正世界上就有这么一个向量能表征我选择的这个词，并且我词表里的每一个词都有对应的表征向量。这个词向量又是怎么取得的呢？

我们给定一个词表征的矩阵C，这个C的维度是V*m，即V行，m列。V是词表的大小，也就是每一行代表了词表里的一个词；m是我们自己定的词向量的维度，比如说对于一个80000个词的词表，原先我要用80000维的One-hot向量来表征“电视”这个词，现在我想就用一个100维的向量来表征，m就是100。（事实上我们常用的就是50或者100）

那么我们用“电视”的One-hot向量[0,1,0,0,…,0]乘以上面说的矩阵C会发生什么？会得到一个m维的向量啊！这就是我们说的词向量，可以看这个过程：

那我们就会想了，你不就是想从C里边取一行么，用的了那么麻烦么，直接给个词在词表中的索引再去C里边按索引取出对应行不就完事了吗？你说的对！你看最开始那张模型图中，作者就是这么干的：

这样我们就得到了前n-1个词的词向量：C(wt-n+1)…C(wt-1)；这样我们就完成了从词语到向量的映射。开不开心，但。。。是不是感觉哪里不太对？我们说给定一个矩阵C，这个C怎么来的？事实上，矩阵C是我们随机初始化来的（或者根据一些先验数据初始化来的），也就是说，在神经网络语言模型中，词向量作为一个内部参数，跟神经网络中的其他内部参数一样都是先有一个随机初始化值，正向传播后计算损失函数再反向传播更新这些参数。这也就要求神经网络语言模型是有监督的学习，词向量是学习得到的副产物，也是模型内化的一部分。

词向量全连接作为输入：

得到上面单个词向量之后，我们要将n-1个词向量做一个全连接，即把这n-1个词向量首尾相接地拼起来得到最终的输入x:

从输入层到隐藏层

这里的隐藏层就是一个很普通的神经网络的做法，权重H乘以输入加上偏置d，再加一个tanh函数作激活函数，就得到了隐藏层：
$t a n h (d + H x)$
也就是图中的：

从隐藏层到输出层

我们先计算由隐藏层到输出层未归一化的输出值y1，这里就是一个简单的线性变化：（为了方便理解，这里的描述方式跟原文不太一样，我这里将隐藏层到输出层与输入层到输出层这两部分拆开描述，不影响最后的结果。）
$y_1=Utanh(d+Hx)+b_1$
这里的U是隐藏层到输出层的参数，b1代表这一部分的偏置项。

在图中表示为：

从输入层到输出层

作者原文中还加入了从输入层到输出层的直连，也是一个线性变换，这作为一个技巧的使用，也可以不用。这一部分的输出值y2可以表示为:
$y_2 = Wx+b_2$
W和b2分别是这一部分的权重和偏置项。整个过程对应图中：

输出层

由上面的两部分输出值我们可以得到最终的y:
$y = y_1+y_2 =b+Wx+Utanh(d+Hx)$
再将y经过一个softmax函数做概率归一化，便能得到一个维度为V的概率向量，这就是我们的输出了。（找到最大的概率所在位置的索引，结合词表我们就能得到我们的预测值了）

模型训练与反向传播

模型训练的目标是最大化以下似然函数：

其中

是模型的所有参数，R是正则化项。

反向传播就是根据loss值更新参数的过程，这里不再赘述。此外模型各个参数的维度也可自行推出或参考其他文章。

代码实现

(以下代码摘自A Neural Probabilistic Language Model 论文阅读及实战，感谢原作者)

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Date    : 2019-02-26 14:15:49
# @Author  : cdl (1217096231@qq.com)
# @Link    : https://github.com/cdlwhm1217096231/python3_spider
# @Version : $Id$import torch
import numpy as np
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torch.autograd import Variable"""
1.Basic Embedding Model1-1. NNLM(Neural Network Language Model)
"""dtype = torch.FloatTensor
sentences = ["i like dog", "i love coffee", "i hate milk"]word_list = " ".join(sentences).split()  # 制作词汇表
print(word_list)
word_list = list(set(word_list))  # 去除词汇表中的重复元素
print("去重后的word_list:", word_list)
word_dict = {w: i for i, w in enumerate(word_list)}  # 将每个单词对应于相应的索引
number_dict = {i: w for i, w in enumerate(word_list)}  # 将每个索引对应于相应的单词
n_class = len(word_dict)  # 单词的总数# NNLM parameters
n_step = 2   # 根据前两个单词预测第3个单词
n_hidden = 2  # 隐藏层神经元的个数
m = 2  # 词向量的维度# 由于pytorch中输入的数据是以batch小批量进行输入的，下面的函数就是将原始数据以一个batch为基本单位喂给模型
def make_batch(sentences):input_batch = []target_batch = []for sentence in sentences:word = sentence.split()input = [word_dict[w] for w in word[:-1]]target = word_dict[word[-1]]input_batch.append(input)target_batch.append(target)return input_batch, target_batch# Modelclass NNLM(nn.Module):def __init__(self):super(NNLM, self).__init__()self.C = nn.Embedding(n_class, embedding_dim=m)self.H = nn.Parameter(torch.randn(n_step * m, n_hidden).type(dtype))self.W = nn.Parameter(torch.randn(n_step * m, n_class).type(dtype))self.d = nn.Parameter(torch.randn(n_hidden).type(dtype))self.U = nn.Parameter(torch.randn(n_hidden, n_class).type(dtype))self.b = nn.Parameter(torch.randn(n_class).type(dtype))def forward(self, x):x = self.C(x)x = x.view(-1, n_step * m)# x: [batch_size, n_step*n_class]tanh = torch.tanh(self.d + torch.mm(x, self.H))# tanh: [batch_size, n_hidden]output = self.b + torch.mm(x, self.W) + torch.mm(tanh, self.U)# output: [batch_size, n_class]return outputmodel = NNLM()criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)# 制作输入
input_batch, target_batch = make_batch(sentences)
input_batch = Variable(torch.LongTensor(input_batch))
target_batch = Variable(torch.LongTensor(target_batch))# 开始训练
for epoch in range(5000):optimizer.zero_grad()output = model(input_batch)
# output : [batch_size, n_class], target_batch : [batch_size] (LongTensor, not one-hot)loss = criterion(output, target_batch)if (epoch + 1) % 1000 == 0:print("Epoch:{}".format(epoch + 1), "Loss:{:.3f}".format(loss))loss.backward()optimizer.step()# 预测
predict = model(input_batch).data.max(1, keepdim=True)[1]  # [batch_size, n_class]
print("predict: \n", predict)
# 测试
print([sentence.split()[:2] for sentence in sentences], "---->",[number_dict[n.item()] for n in predict.squeeze()])

运行结果：

['i', 'like', 'dog', 'i', 'love', 'coffee', 'i', 'hate', 'milk']
去重后的word_list: ['coffee', 'i', 'hate', 'dog', 'love', 'milk', 'like']
Epoch:1000 Loss:0.114
Epoch:2000 Loss:0.021
Epoch:3000 Loss:0.007
Epoch:4000 Loss:0.003
Epoch:5000 Loss:0.002
predict: tensor([[3],[0],[5]])
[['i', 'like'], ['i', 'love'], ['i', 'hate']] ----> ['dog', 'coffee', 'milk']
[Finished in 4.5s]

NNLM的小结

神经网络语言模型(NNLM)通过构建神经网络的方式来探索和建模自然语言内在的依赖关系。优缺点如下：

优点：

词向量是可以自定义维度的，维度并不会因为新扩展词而发生改变，词向量能够很好的根据特征距离度量词与词之间的相似性；
好的词向量能够提高模型泛化能力；
相比于n-gram，通过词向量的降维，减小了参数空间，减少了计算量。

缺点：

参数较多，模型训练时间长；
神经网络黑盒子，可解释性较差。

参考文章：

A Neural Probabilistic Language Model

NNLM(神经网络语言模型)

理解 NNLM

神经网路语言模型(NNLM)的理解

A Neural Probabilistic Language Model 论文阅读及实战

A Neural Probabilistic Language Model ------阅读笔记

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