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...@@ -66,6 +66,7 @@ RNN is an effective model for sequential data. Theoretical, the computational a ...@@ -66,6 +66,7 @@ RNN is an effective model for sequential data. Theoretical, the computational a
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Figure 2. An illustration of an unrolled RNN across “time”. Figure 2. An illustration of an unrolled RNN across “time”.
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As shown in Figure 2, we unroll an RNN: at $t$-th time step, the network takes the $t$-th input vector and the latent state from last time-step $h_{t-1}$ as inputs and compute the latent state of current step. The whole process is repeated until all inputs are consumed. If we regard the RNN as a function $f$, it can be formulated as: As shown in Figure 2, we unroll an RNN: at $t$-th time step, the network takes the $t$-th input vector and the latent state from last time-step $h_{t-1}$ as inputs and compute the latent state of current step. The whole process is repeated until all inputs are consumed. If we regard the RNN as a function $f$, it can be formulated as:
$$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$ $$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$
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卷积神经网络经常用来处理具有类似网格拓扑结构(grid-like topology)的数据。例如,图像可以视为二维网格的像素点,自然语言可以视为一维的词序列。卷积神经网络可以提取多种局部特征,并对其进行组合抽象得到更高级的特征表示。实验表明,卷积神经网络能高效地对图像及文本问题进行建模处理。 卷积神经网络经常用来处理具有类似网格拓扑结构(grid-like topology)的数据。例如,图像可以视为二维网格的像素点,自然语言可以视为一维的词序列。卷积神经网络可以提取多种局部特征,并对其进行组合抽象得到更高级的特征表示。实验表明,卷积神经网络能高效地对图像及文本问题进行建模处理。
卷积神经网络主要由卷积(convolution)和池化(pooling)操作构成,其应用及组合方式灵活多变,种类繁多。本小结我们以一种简单的文本分类卷积神经网络为例进行讲解\[[1](#参考文献)\],如图1所示: 卷积神经网络主要由卷积(convolution)和池化(pooling)操作构成,其应用及组合方式灵活多变,种类繁多。本小结我们以一种简单的文本分类卷积神经网络为例进行讲解\[[1](#参考文献)\],如图1所示:
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图1. 卷积神经网络文本分类模型 图1. 卷积神经网络文本分类模型
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假设待处理句子的长度为$n$,其中第$i$个词的词向量(word embedding)为$x_i\in\mathbb{R}^k$,$k$为维度大小。 假设待处理句子的长度为$n$,其中第$i$个词的词向量(word embedding)为$x_i\in\mathbb{R}^k$,$k$为维度大小。
首先,进行词向量的拼接操作:将每$h$个词拼接起来形成一个大小为$h$的词窗口,记为$x_{i:i+h-1}$,它表示词序列$x_{i},x_{i+1},\ldots,x_{i+h-1}$的拼接,其中,$i$表示词窗口中第一个词在整个句子中的位置,取值范围从$1$到$n-h+1$,$x_{i:i+h-1}\in\mathbb{R}^{hk}$。 首先,进行词向量的拼接操作:将每$h$个词拼接起来形成一个大小为$h$的词窗口,记为$x_{i:i+h-1}$,它表示词序列$x_{i},x_{i+1},\ldots,x_{i+h-1}$的拼接,其中,$i$表示词窗口中第一个词在整个句子中的位置,取值范围从$1$到$n-h+1$,$x_{i:i+h-1}\in\mathbb{R}^{hk}$。
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### 循环神经网络(RNN) ### 循环神经网络(RNN)
循环神经网络是一种能对序列数据进行精确建模的有力工具。实际上,循环神经网络的理论计算能力是图灵完备的\[[4](#参考文献)\]。自然语言是一种典型的序列数据(词序列),近年来,循环神经网络及其变体(如long short term memory\[[5](#参考文献)\]等)在自然语言处理的多个领域,如语言模型、句法解析、语义角色标注(或一般的序列标注)、语义表示、图文生成、对话、机器翻译等任务上均表现优异甚至成为目前效果最好的方法。 循环神经网络是一种能对序列数据进行精确建模的有力工具。实际上,循环神经网络的理论计算能力是图灵完备的\[[4](#参考文献)\]。自然语言是一种典型的序列数据(词序列),近年来,循环神经网络及其变体(如long short term memory\[[5](#参考文献)\]等)在自然语言处理的多个领域,如语言模型、句法解析、语义角色标注(或一般的序列标注)、语义表示、图文生成、对话、机器翻译等任务上均表现优异甚至成为目前效果最好的方法。
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图2. 循环神经网络按时间展开的示意图 图2. 循环神经网络按时间展开的示意图
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循环神经网络按时间展开后如图2所示:在第$t$时刻,网络读入第$t$个输入$x_t$(向量表示)及前一时刻隐层的状态值$h_{t-1}$(向量表示,$h_0$一般初始化为$0$向量),计算得出本时刻隐层的状态值$h_t$,重复这一步骤直至读完所有输入。如果将循环神经网络所表示的函数记为$f$,则其公式可表示为: 循环神经网络按时间展开后如图2所示:在第$t$时刻,网络读入第$t$个输入$x_t$(向量表示)及前一时刻隐层的状态值$h_{t-1}$(向量表示,$h_0$一般初始化为$0$向量),计算得出本时刻隐层的状态值$h_t$,重复这一步骤直至读完所有输入。如果将循环神经网络所表示的函数记为$f$,则其公式可表示为:
$$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$ $$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$
...@@ -84,10 +88,12 @@ o_t & = \sigma(W_{xo}x_t+W_{ho}h_{h-1}+W_{co}c_{t}+b_o)\\\\ ...@@ -84,10 +88,12 @@ o_t & = \sigma(W_{xo}x_t+W_{ho}h_{h-1}+W_{co}c_{t}+b_o)\\\\
h_t & = o_t\odot tanh(c_t)\\\\ h_t & = o_t\odot tanh(c_t)\\\\
\end{align} \end{align}
其中,$i_t, f_t, c_t, o_t$分别表示输入门,遗忘门,记忆单元及输出门的向量值,带角标的$W$及$b$为模型参数,$tanh$为双曲正切函数,$\odot$表示逐元素(elementwise)的乘法操作。输入门控制着新输入进入记忆单元$c$的强度,遗忘门控制着记忆单元维持上一时刻值的强度,输出门控制着输出记忆单元的强度。三种门的计算方式类似,但有着完全不同的参数,它们各自以不同的方式控制着记忆单元$c$,如图3所示: 其中,$i_t, f_t, c_t, o_t$分别表示输入门,遗忘门,记忆单元及输出门的向量值,带角标的$W$及$b$为模型参数,$tanh$为双曲正切函数,$\odot$表示逐元素(elementwise)的乘法操作。输入门控制着新输入进入记忆单元$c$的强度,遗忘门控制着记忆单元维持上一时刻值的强度,输出门控制着输出记忆单元的强度。三种门的计算方式类似,但有着完全不同的参数,它们各自以不同的方式控制着记忆单元$c$,如图3所示:
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图3. 时刻$t$的LSTM [7] 图3. 时刻$t$的LSTM [7]
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LSTM通过给简单的循环神经网络增加记忆及控制门的方式,增强了其处理远距离依赖问题的能力。类似原理的改进还有Gated Recurrent Unit (GRU)\[[8](#参考文献)\],其设计更为简洁一些。**这些改进虽然各有不同,但是它们的宏观描述却与简单的循环神经网络一样(如图2所示),即隐状态依据当前输入及前一时刻的隐状态来改变,不断地循环这一过程直至输入处理完毕:** LSTM通过给简单的循环神经网络增加记忆及控制门的方式,增强了其处理远距离依赖问题的能力。类似原理的改进还有Gated Recurrent Unit (GRU)\[[8](#参考文献)\],其设计更为简洁一些。**这些改进虽然各有不同,但是它们的宏观描述却与简单的循环神经网络一样(如图2所示),即隐状态依据当前输入及前一时刻的隐状态来改变,不断地循环这一过程直至输入处理完毕:**
$$ h_t=Recrurent(x_t,h_{t-1})$$ $$ h_t=Recrurent(x_t,h_{t-1})$$
...@@ -99,6 +105,7 @@ $$ h_t=Recrurent(x_t,h_{t-1})$$ ...@@ -99,6 +105,7 @@ $$ h_t=Recrurent(x_t,h_{t-1})$$
对于正常顺序的循环神经网络,$h_t$包含了$t$时刻之前的输入信息,也就是上文信息。同样,为了得到下文信息,我们可以使用反方向(将输入逆序处理)的循环神经网络。结合构建深层循环神经网络的方法(深层神经网络往往能得到更抽象和高级的特征表示),我们可以通过构建更加强有力的基于LSTM的栈式双向循环神经网络\[[9](#参考文献)\],来对时序数据进行建模。 对于正常顺序的循环神经网络,$h_t$包含了$t$时刻之前的输入信息,也就是上文信息。同样,为了得到下文信息,我们可以使用反方向(将输入逆序处理)的循环神经网络。结合构建深层循环神经网络的方法(深层神经网络往往能得到更抽象和高级的特征表示),我们可以通过构建更加强有力的基于LSTM的栈式双向循环神经网络\[[9](#参考文献)\],来对时序数据进行建模。
如图4所示(以三层为例),奇数层LSTM正向,偶数层LSTM反向,高一层的LSTM使用低一层LSTM及之前所有层的信息作为输入,对最高层LSTM序列使用时间维度上的最大池化即可得到文本的定长向量表示(这一表示充分融合了文本的上下文信息,并且对文本进行了深层次抽象),最后我们将文本表示连接至softmax构建分类模型。 如图4所示(以三层为例),奇数层LSTM正向,偶数层LSTM反向,高一层的LSTM使用低一层LSTM及之前所有层的信息作为输入,对最高层LSTM序列使用时间维度上的最大池化即可得到文本的定长向量表示(这一表示充分融合了文本的上下文信息,并且对文本进行了深层次抽象),最后我们将文本表示连接至softmax构建分类模型。
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图4. 栈式双向LSTM用于文本分类 图4. 栈式双向LSTM用于文本分类
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Figure 2. An illustration of an unrolled RNN across “time”. Figure 2. An illustration of an unrolled RNN across “time”.
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As shown in Figure 2, we unroll an RNN: at $t$-th time step, the network takes the $t$-th input vector and the latent state from last time-step $h_{t-1}$ as inputs and compute the latent state of current step. The whole process is repeated until all inputs are consumed. If we regard the RNN as a function $f$, it can be formulated as: As shown in Figure 2, we unroll an RNN: at $t$-th time step, the network takes the $t$-th input vector and the latent state from last time-step $h_{t-1}$ as inputs and compute the latent state of current step. The whole process is repeated until all inputs are consumed. If we regard the RNN as a function $f$, it can be formulated as:
$$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$ $$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$
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卷积神经网络经常用来处理具有类似网格拓扑结构(grid-like topology)的数据。例如,图像可以视为二维网格的像素点,自然语言可以视为一维的词序列。卷积神经网络可以提取多种局部特征,并对其进行组合抽象得到更高级的特征表示。实验表明,卷积神经网络能高效地对图像及文本问题进行建模处理。 卷积神经网络经常用来处理具有类似网格拓扑结构(grid-like topology)的数据。例如,图像可以视为二维网格的像素点,自然语言可以视为一维的词序列。卷积神经网络可以提取多种局部特征,并对其进行组合抽象得到更高级的特征表示。实验表明,卷积神经网络能高效地对图像及文本问题进行建模处理。
卷积神经网络主要由卷积(convolution)和池化(pooling)操作构成,其应用及组合方式灵活多变,种类繁多。本小结我们以一种简单的文本分类卷积神经网络为例进行讲解\[[1](#参考文献)\],如图1所示: 卷积神经网络主要由卷积(convolution)和池化(pooling)操作构成,其应用及组合方式灵活多变,种类繁多。本小结我们以一种简单的文本分类卷积神经网络为例进行讲解\[[1](#参考文献)\],如图1所示:
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图1. 卷积神经网络文本分类模型 图1. 卷积神经网络文本分类模型
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假设待处理句子的长度为$n$,其中第$i$个词的词向量(word embedding)为$x_i\in\mathbb{R}^k$,$k$为维度大小。 假设待处理句子的长度为$n$,其中第$i$个词的词向量(word embedding)为$x_i\in\mathbb{R}^k$,$k$为维度大小。
首先,进行词向量的拼接操作:将每$h$个词拼接起来形成一个大小为$h$的词窗口,记为$x_{i:i+h-1}$,它表示词序列$x_{i},x_{i+1},\ldots,x_{i+h-1}$的拼接,其中,$i$表示词窗口中第一个词在整个句子中的位置,取值范围从$1$到$n-h+1$,$x_{i:i+h-1}\in\mathbb{R}^{hk}$。 首先,进行词向量的拼接操作:将每$h$个词拼接起来形成一个大小为$h$的词窗口,记为$x_{i:i+h-1}$,它表示词序列$x_{i},x_{i+1},\ldots,x_{i+h-1}$的拼接,其中,$i$表示词窗口中第一个词在整个句子中的位置,取值范围从$1$到$n-h+1$,$x_{i:i+h-1}\in\mathbb{R}^{hk}$。
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### 循环神经网络(RNN) ### 循环神经网络(RNN)
循环神经网络是一种能对序列数据进行精确建模的有力工具。实际上,循环神经网络的理论计算能力是图灵完备的\[[4](#参考文献)\]。自然语言是一种典型的序列数据(词序列),近年来,循环神经网络及其变体(如long short term memory\[[5](#参考文献)\]等)在自然语言处理的多个领域,如语言模型、句法解析、语义角色标注(或一般的序列标注)、语义表示、图文生成、对话、机器翻译等任务上均表现优异甚至成为目前效果最好的方法。 循环神经网络是一种能对序列数据进行精确建模的有力工具。实际上,循环神经网络的理论计算能力是图灵完备的\[[4](#参考文献)\]。自然语言是一种典型的序列数据(词序列),近年来,循环神经网络及其变体(如long short term memory\[[5](#参考文献)\]等)在自然语言处理的多个领域,如语言模型、句法解析、语义角色标注(或一般的序列标注)、语义表示、图文生成、对话、机器翻译等任务上均表现优异甚至成为目前效果最好的方法。
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图2. 循环神经网络按时间展开的示意图 图2. 循环神经网络按时间展开的示意图
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循环神经网络按时间展开后如图2所示:在第$t$时刻,网络读入第$t$个输入$x_t$(向量表示)及前一时刻隐层的状态值$h_{t-1}$(向量表示,$h_0$一般初始化为$0$向量),计算得出本时刻隐层的状态值$h_t$,重复这一步骤直至读完所有输入。如果将循环神经网络所表示的函数记为$f$,则其公式可表示为: 循环神经网络按时间展开后如图2所示:在第$t$时刻,网络读入第$t$个输入$x_t$(向量表示)及前一时刻隐层的状态值$h_{t-1}$(向量表示,$h_0$一般初始化为$0$向量),计算得出本时刻隐层的状态值$h_t$,重复这一步骤直至读完所有输入。如果将循环神经网络所表示的函数记为$f$,则其公式可表示为:
$$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$ $$h_t=f(x_t,h_{t-1})=\sigma(W_{xh}x_t+W_{hh}h_{h-1}+b_h)$$
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h_t & = o_t\odot tanh(c_t)\\\\ h_t & = o_t\odot tanh(c_t)\\\\
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其中,$i_t, f_t, c_t, o_t$分别表示输入门,遗忘门,记忆单元及输出门的向量值,带角标的$W$及$b$为模型参数,$tanh$为双曲正切函数,$\odot$表示逐元素(elementwise)的乘法操作。输入门控制着新输入进入记忆单元$c$的强度,遗忘门控制着记忆单元维持上一时刻值的强度,输出门控制着输出记忆单元的强度。三种门的计算方式类似,但有着完全不同的参数,它们各自以不同的方式控制着记忆单元$c$,如图3所示: 其中,$i_t, f_t, c_t, o_t$分别表示输入门,遗忘门,记忆单元及输出门的向量值,带角标的$W$及$b$为模型参数,$tanh$为双曲正切函数,$\odot$表示逐元素(elementwise)的乘法操作。输入门控制着新输入进入记忆单元$c$的强度,遗忘门控制着记忆单元维持上一时刻值的强度,输出门控制着输出记忆单元的强度。三种门的计算方式类似,但有着完全不同的参数,它们各自以不同的方式控制着记忆单元$c$,如图3所示:
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图3. 时刻$t$的LSTM [7] 图3. 时刻$t$的LSTM [7]
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LSTM通过给简单的循环神经网络增加记忆及控制门的方式,增强了其处理远距离依赖问题的能力。类似原理的改进还有Gated Recurrent Unit (GRU)\[[8](#参考文献)\],其设计更为简洁一些。**这些改进虽然各有不同,但是它们的宏观描述却与简单的循环神经网络一样(如图2所示),即隐状态依据当前输入及前一时刻的隐状态来改变,不断地循环这一过程直至输入处理完毕:** LSTM通过给简单的循环神经网络增加记忆及控制门的方式,增强了其处理远距离依赖问题的能力。类似原理的改进还有Gated Recurrent Unit (GRU)\[[8](#参考文献)\],其设计更为简洁一些。**这些改进虽然各有不同,但是它们的宏观描述却与简单的循环神经网络一样(如图2所示),即隐状态依据当前输入及前一时刻的隐状态来改变,不断地循环这一过程直至输入处理完毕:**
$$ h_t=Recrurent(x_t,h_{t-1})$$ $$ h_t=Recrurent(x_t,h_{t-1})$$
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对于正常顺序的循环神经网络,$h_t$包含了$t$时刻之前的输入信息,也就是上文信息。同样,为了得到下文信息,我们可以使用反方向(将输入逆序处理)的循环神经网络。结合构建深层循环神经网络的方法(深层神经网络往往能得到更抽象和高级的特征表示),我们可以通过构建更加强有力的基于LSTM的栈式双向循环神经网络\[[9](#参考文献)\],来对时序数据进行建模。 对于正常顺序的循环神经网络,$h_t$包含了$t$时刻之前的输入信息,也就是上文信息。同样,为了得到下文信息,我们可以使用反方向(将输入逆序处理)的循环神经网络。结合构建深层循环神经网络的方法(深层神经网络往往能得到更抽象和高级的特征表示),我们可以通过构建更加强有力的基于LSTM的栈式双向循环神经网络\[[9](#参考文献)\],来对时序数据进行建模。
如图4所示(以三层为例),奇数层LSTM正向,偶数层LSTM反向,高一层的LSTM使用低一层LSTM及之前所有层的信息作为输入,对最高层LSTM序列使用时间维度上的最大池化即可得到文本的定长向量表示(这一表示充分融合了文本的上下文信息,并且对文本进行了深层次抽象),最后我们将文本表示连接至softmax构建分类模型。 如图4所示(以三层为例),奇数层LSTM正向,偶数层LSTM反向,高一层的LSTM使用低一层LSTM及之前所有层的信息作为输入,对最高层LSTM序列使用时间维度上的最大池化即可得到文本的定长向量表示(这一表示充分融合了文本的上下文信息,并且对文本进行了深层次抽象),最后我们将文本表示连接至softmax构建分类模型。
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图4. 栈式双向LSTM用于文本分类 图4. 栈式双向LSTM用于文本分类
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