李宏毅机器学习课程笔记-14.2 Seq2Seq：Attention

目录

• Machine Translation
• Speech Recognition
• Image Caption
• Memory Network
• Neural Turing Machine
• Pointer Network
• Recursive Network

输入和输出都是sequence的任务都是一种Sequence-to-sequence Learning，简称Seq2Seq。

Attention其实是一种Dynamic Conditional Generation。在前文描述的Conditional Generation中，我们在每个时间点都将Encoder输出的vector输入到Decoder中，其实我们可以进一步使得Decoder在每个时间点接收到的vector都是不一样的，这就是Attention。Attention有两个好处，第一是应对Encoder输出的vector无法充分有效地表示整个setence的情况，第二是使Decoder在不同时间点关注setence的不同部分(假如要把“机器学习”翻译为“machine learning”，那么在翻译“机器”时就不需要关注“学习”这个暂时无关的word)。

Machine Translation

如上图所示，\(h^1,h^2,h^3,h^4\)是作为Encoder的RNN中隐藏层的输出，一种方法是\(z\)为Decoder的输出，\(z^0\)即时间点为0时的一个初始值。

1. 使用match函数计算\(h^i\)和\(z^0\)的匹配程度\(\alpha_0^1,\alpha_0^2,\alpha_0^3,\alpha_0^4\)，举例来讲\(\alpha_0^1\)中上标\(1\)表示\(h^1\)、下标\(0\)表示时间点为0。

   match函数是自定义的，它可以只是一个cosine similarity也可以是一个神经网络等等，如果match函数中包括参数，那这些参数也是可以通过学习得到的。

2. 将\(\alpha_0^1,\alpha_0^2,\alpha_0^3,\alpha_0^4\)输入到softmax得到\(\hat\alpha_0^1,\hat\alpha_0^2,\hat\alpha_0^3,\hat\alpha_0^4\)

   softmax使得这4个值之和为1，有人说这一步也可以不做

3. 计算Encoder的输出\(c^0=\sum\limits_i\hat\alpha_0^ih^i\)

   若\(\hat\alpha_0^1=\hat\alpha_0^2=0.5,\ \hat\alpha_0^3=\hat\alpha_0^4=0\)，则代表Encoder只考虑了“机器”二字而没有考虑“学习”二字，由此实现Attention

4. 将\(c^0\)输入到Decoder得到

   得到\(z^1\)后也就得到了“machine”

按照上述步骤，使用\(h^i\)和\(z^1\)计算出\(\alpha_1^1,\alpha_1^2,\alpha_1^3,\alpha_1^4\)，再用softmax计算出\(\hat\alpha_1^1,\hat\alpha_1^2,\hat\alpha_1^3,\hat\alpha_1^4\)，再计算出\(c^1=\sum\limits_i\hat\alpha_1^ih^i\)，再将\(c^1\)输入到Decoder得到\(z^2\)，也就得到了“learning”。

重复上述过程直到生成句子的结束（句号）。

Speech Recognition

Attention也可以应用于语音识别。在语音识别中， 输入是声音信号（可以用vector sequence表示），输出是word sequence。

Attention在Speech Recognition中的应用类似于其在Machine Translation中的应用，算法步骤差不多，谷歌有一篇相关论文：《Listen, Attend and Spell》

Image Caption

Attention在Image Caption中的应用类似于其在Machine Translation中的应用，可以将图片的每个region视为Machine Translation任务中的一个character，有一篇相关文章是《Show, Attend and Tell: Neural Image Caption Generation with Visual Attention》。

Attention不只可以做单张Image的Caption，还可以做多张图片/视频的Caption，相关论文如《Describing Videos by Exploiting Temporal Structure》。

Memory Network

Memory Network是在Memory上做Attention。Memory Network最开始是被用在Reading Comprehension上， 也就是给机器看一个document，然后问机器一个question并让它给出answer。

1. 将document表示为多个vector

   document由很多个sentence组成，可以用一个vector表示一个sentence，因此一个document可以表示为\(x^1,x^2,\dots,x^N\)

   这一步可以和后面的DNN一起训练

2. 将question表示为一个vector \(q\)

3. 计算\(q\)和每个\(x^n\)之间match的分数\(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_N\)

4. 计算\(e=\sum\limits_{n=1}\limits^N\alpha_nx^n\)得到extracted information

   这一步的作用是提取出和question相关的setence，由此实现Attention

5. 将extracted information输入到DNN，输出对应的answer

Memory Network还有一个更加复杂的版本。可以将document表示为不同的两组vector，即使用两个vector \(h^n\)和\(x^n\)表示document中的每个sentence，然后计算\(q\)和每个\(x^n\)之间match的分数\(a_n\)，此时extracted information为\(e=\sum\limits_{n=1}\limits^N\alpha_nh^n\)。将extracted information输入到DNN得到对应的answer，同时还可以将extracted information和问题\(q\)加起来更新\(q\)(这叫做Hopping)。Hopping可以重复很多次，这就像机器在反复思考。

相关论文：《End-To-End Memory Networks》

Neural Turing Machine

Neural Turing Machine不只是在Memory上做Attention、不只是可以读取memory，它还可以根据match 函数的结果修改存储在memory中的内容。

1. 在Neural Turing Machine中，memory是一个vector sequence

2. 在初始时，memory表示为\(m_0^1,m_0^2,\dots,m_0^N\)，然后有一组初始的attention weight：\(\hat\alpha_0^1,\hat\alpha_0^2,\dots,\hat\alpha_0^N\)，计算\(r^0=\sum\hat\alpha_0^im_0^i\)

3. 将\(r^0\)和第一个时间点的输入\(x^1\)输入到一个网络\(f\)，得到输出\(k^1,e^1,a^1\)

   这个网络\(f\)其实就是一个controller，它可以是一个DNN、LSTM、GRU等等都可以。

   \(k^1\)的作用就是产生attention：\(\alpha^i_1=cos(m_0^i,k^1)\)，然后用softmax处理\(\alpha^i_1\)即可得到\(\hat\alpha_1^i\)，这里讲的生成attention的方法\(\alpha^i_1=cos(m_0^i,k^1)\)是简化过的版本，真正的通过\(k^1\)计算得到\(\alpha^i_1\)的方法更为复杂。

   根据attention weight \(\hat\alpha_1^i\)和\(e^1,a^1\)就可以修改memory，\(e^1\)的作用是把memory中的值清空(erase)，\(a^1\)的作用是把新的值写到memory里。\(m_1^i=m_0^i-\hat\alpha_1^ie^1\odot m_0^i+\hat\alpha_1^ia^1\)，通常attention weight \(\hat\alpha\)的分布会比较sharp，即其中某一维接近1而其它维都接近0，因此可以控制\(e^1,a^1\)清空或写入memory中的哪个值。

Pointer Network

Pointer Network用来求解凸包（Convex Hull）。

求解凸包问题中，输入和输出都是一个point sequence。

假如使用Seq2Seq求解凸包问题，每个point用其x和y坐标表示，那输入就是多个point，输出则是point的索引，这样不可行。如果Encoder是RNN则可以处理point数量不确定的输入，但假如在训练时输入中最多只有50个point，而如果测试时需要输出100个point，那Decoder就无法输出51-100，因此这种方法是不可行的。

我们可以使用Attention Model，假设有一个key \(z^0\)，使用\(z^0\)为输入中的每个point计算attention weight，选择attention weight最大的那个point，模型输出即该point的索引，这样不管输入了多少个point，都能正确输出point的索引。使用输出的point的x和y坐标计算得到\(z^1\)，然后用\(z^1\)计算输入中每个point的attention weight，并选择attention weight最大的那个point，输出该point的索引。重复以上过程直到输出END。

• Summarization

  可以将summarization理解为求解凸包一样的问题：从一个document中选择几个word，详见《Get To The Point: Summarization with Pointer-Generator Networks》。

• Machine Translation

  比如在将英语翻译为法语时，一些word并不用进行翻译，通过Pointer Network提取出来直接用就好了。

• Chat-bot

  比如用户说“我叫臭咸鱼”，就可以通过Pointer Network将“臭咸鱼”这个word直接提取出来。

Recursive Network

Recursive Network是Recurrent Neural Network的泛化版本，Recurrent Neural Network其实是Recursive Network的subset。

如下图所示，以Sentiment Analysis为例，输入为一个word sequence，输出为sentiment（假设是5级），输入的word sequence（假设有4个word）经过word embedding可以表示为vector sequence \(x^1, x^2, x^3, x^4\)，输出是一个5维的vector。

如上图所示，如果用Recurrent Neural Network实现Sentiment Analysis，初始有一个值\(h^0\)，我们的RNN是\(f\)，将\(h^0,x^1\)输入到\(f\)得到\(h^1\)，再将\(h^1,x^2\)输入到\(f\)得到\(h^2\)，再将\(h^2,x^3\)输入到\(f\)得到\(h^3\)，再将\(h^3,x^4\)输入到\(f\)中得到\(h^4\)，将\(h^4\)输入到模型\(g\)（可以是几个层）中得到最终的sentiment。

如上图所示，如果用Recursive Structure实现Sentiment Analysis，需要先确定word和模型输出之间的关系，比如\(x^1\)和\(x^2\)、\(x^3\)和\(x^4\)分别是两组，我们的模型是\(f\)，将\(x^1,x^2\)输入到\(f\)中得到\(h^1\)，将\(x^3,x^4\)输入到\(f\)中得到\(h^2\)，将\(h^1,h^2\)输入到\(f\)中得到\(h^3\)，再把\(h^3\)输入输入到模型\(g\)（可以是几个层）中得到最终的sentiment。因为模型\(f\)的输入可以是\(x^i\)或\(h^i\)，所以需要使得\(x^i\)和\(h^i\)的维度相同。

与Recursive Network相关的模型有：Recursive Nerual Tensor Network、Matrix-Vector Recursive Network、Tree LSTM。

除了Sentiment Analysis，Recursive Network还可以用来处理其它与sentence相关的任务。

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