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 # 噪声对比估计加速词向量训练
 ## 背景介绍
-语言模型是自然语言处理领域的基础问题，其在词性标注、句法分析、机器翻译、信息检索等任务中起到了重要作用。
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-神经概率语言模型（Neural Probabilistic Language Model, NPLM）尽管有优异的精度表现，但是相对基于统计的 n-gram 传统模型，训练时间还是太漫长了\[[4](#参考文献)\]。原因请见下一章节。
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-NCE（Noise-contrastive estimation）\[[2](#参考文献)\]，是一种快速简便的离散分布估计方法，这里以训练 NPLM 为例。这里我们使用了 ptb 数据来训练神经语言模型。
+在自然语言处理领域中，通常使用特征向量来表示一个单词，但是如何使用准确的词向量来表示语义却是一个难点，详细内容可以在[词向量章节](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/README.cn.md)中查阅到，原作者使用神经概率语言模型（Neural Probabilistic Language Model, NPLM）来训练词向量，尽管 NPLM 有优异的精度表现，但是相对于传统的 N-gram 统计模型，训练时间还是太漫长了\[[4](#参考文献)\]。常用的优化这个问题算法主要有两个：一个是 hierarchical-sigmoid \[[3](#参考文献)\] 另一个 噪声对比估计（Noise-contrastive estimation, NCE）\[[2](#参考文献)\]。为了克服这个问题本文引入了 NCE 方法。本文将以训练 NPLM 作为例子来讲述如何使用 NCE。
 
 ## NCE Layer
-在这里将 NCE 用于训练神经语言模型，主要目的是用来提高训练速度。训练 NPLM 计算开销很大，是因为 softmax 函数计算时需要计算每个类别的指数项，必须考虑字典中的所有单词，这是相当耗时的，因为对于语言模型字典往往非常大[[4](#参考文献)]。与 hierarchical-sigmoid \[[3](#参考文献)\] 相比，NCE 不再使用复杂的 Huffman 树来构造目标函数，而是采用相对简单的随机负采样，以大幅提升计算效率。
+NCE 是一种快速地对离散分布进行估计的方法，应用到本文中的问题：训练 NPLM 计算开销很大，原因是 softmax 函数计算时需要考虑每个类别的指数项，必须计算字典中的所有单词，而在一般语料集上面字典往往非常大\[[4](#参考文献)\]，从而导致整个训练过程十分耗时。与常用的 hierarchical-sigmoid \[[3](#参考文献)\] 方法相比，NCE 不再使用复杂的二叉树来构造目标函数，而是采用相对简单的随机负采样，以大幅提升计算效率。
 
 
-假设已知具体的上下文 $h$，并且知道这个分布为 ${ P }^{ h }(w)$ ，我们将训练样例作为正样例，从一个噪音分布 ${ P }_n(w)$ 抽样产生负样例。我们可以任意选择合适的噪音分布，默认为无偏的均匀分布。这里我们同时假设噪音样例 k 倍于数据样例，则训练数据被抽中的概率为[[2](#参考文献)]：
+假设已知具体的上下文 $h$，并且知道这个分布为 $P^h(w)$ ，并将从中抽样出来的数据作为正样例，而从一个噪音分布 $P_n(w)$ 抽样的数据作为负样例。我们可以任意选择合适的噪音分布，默认为无偏的均匀分布。这里我们同时假设噪音样例 k 倍于数据样例，则训练数据被抽中的概率为\[[2](#参考文献)\]：
 
 $$P^h(D=1|w,\theta)=\frac { P_\theta^h(w) }{ P^h_\theta(w)+kP_n(w) } =\sigma (\Delta s_\theta(w,h))$$
 
@@ -21,32 +17,31 @@ J^h(\theta )=E_{ P_d^h }\left[ \log { P^h(D=1|w,\theta ) }  \right] +kE_{ P_n }\
 $$
  \\\\\qquad =E_{ P_d^h }\left[ \log { \sigma (\Delta s_\theta(w,h)) }  \right] +kE_{ P_n }\left[ \log (1-\sigma (\Delta s_\theta(w,h)))  \right]$$
 
-NCE 原理是通过构造一个逻辑回归（logistic regression），对正样例和负样例做二分类，对于每一个样本，将自身的预测词 label 作为正样例，同时采样出 k 个其他词 label 作为负样例，从而只需要计算样本在这 k+1 个 label 上的概率。相比原始的 softmax 分类需要计算每个类别的分数，然后归一化得到概率，softmax 这个计算过程是十分耗时的。
+总体上来说，NCE 是通过构造逻辑回归（logistic regression），对正样例和负样例做二分类，对于每一个样本，将自身的预测词 label 作为正样例，同时采样出 k 个其他词 label 作为负样例，从而只需要计算样本在这 k+1 个 label 上的概率。相比原始的 softmax 分类需要计算每个类别的分数，然后归一化得到概率，节约了大量的时间消耗。
 
 ## 实验数据
-本文采用 Penn Treebank (PTB)数据集（[Tomas Mikolov预处理版本](http://www.fit.vutbr.cz/~imikolov/rnnlm/simple-examples.tgz)），这是一个可以用来训练语言模型的数据集。PaddlePaddle 提供 [paddle.dataset.imikolov](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/python/paddle/v2/dataset/imikolov.py) 接口来方便调用数据，其中实现了数据自动下载，字典生成，滑动窗口等功能。数据接口给出的是前4个词让语言模型预测第5个词。
+本文采用 Penn Treebank (PTB)数据集（[Tomas Mikolov预处理版本](http://www.fit.vutbr.cz/~imikolov/rnnlm/simple-examples.tgz)），这个数据集是可以用来训练语言模型的。PaddlePaddle 提供 [paddle.dataset.imikolov](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/python/paddle/v2/dataset/imikolov.py) 接口来方便调用数据，其中实现了数据自动下载，字典生成，滑动窗口等功能，返回的迭代器是前4个词让语言模型预测第5个词，共有42068句训练数据，3761句测试数据。
 
 ## 网络结构
-本文在训练 n-gram 语言模型时，即使用前4个词来预测当前词。网络输入为词在字典中的 id，然后查询词向量词表获取词向量，接着拼接4个词的词向量，然后接入一个全连接隐层，最后是 NCE 层。详细网络结构见图1：
+本文在训练 N-gram 语言模型时，使用前4个词作为上下文来预测当前词。网络输入为词在字典中的 id，然后查询词向量词表获取词向量，接着拼接4个词的词向量，然后接入一个全连接隐层，最后是 NCE 层。详细网络结构见图1：
 
 <p align="center">
-<img src="images/network_conf.png" width = "80%" align="center"/><br/>
+<img src="images/network_conf.png" width = "70%" align="center"/><br/>
 图1. 网络配置结构
 </p>
 可以看到，模型主要分为如下几个部分：
 
-1. **输入层**：输入样本由原始的英文单词组成，将每个英文单词转换为字典中的id表示。
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-2. **词向量层**：使用 trainable 的 embedding 矩阵，将原先的 id 表示转换为向量表示。这种将英文单词转换为词向量的方法，比传统的 one-hot 表示更能体现词语的语义内容，关于词向量的更多信息请参考 PaddleBook 中的[词向量](https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/04.word2vec)一节。
+1. **输入层**：输入的 ptb 样本由原始的英文单词组成，将每个英文单词转换为字典中的 id 表示，使用唯一的 id 表示可以区分每个单词。
 
-3. **词向量拼接层**：将词向量进行串联，将向量首尾相接形成一个长向量。
+2. **词向量层**：比起原先的 id 表示，词向量表示更能体现词与词之间的语义关系。这里使用 trainable 的 embedding 矩阵，将原先的 id 表示转换为固定维度的词向量表示。训练完成之后，词语之间的语义相似度可以使用词向量之间的距离来表示，语义越相似，距离越近。
 
-4. **全连接隐层**：将上一层获得的长向量输入一层隐层的神经网络，输出特征向量。
+3. **词向量拼接层**：将词向量进行串联，并将词向量首尾相接形成一个长向量。这样可以方便后面全连接层的处理。
 
-5. **NCE层**：推断时，输出层的神经元数量和样本的类别数一致，在这里就是整个字典的大小，最后使用 softmax 对每个类别的概率做归一化操作，因此第$i$个神经元的输出就可以认为是样本属于第$i$类的预测概率。训练时，我们需要构造二分类分类器。
+4. **全连接隐层**：将上一层获得的长向量输入到一层隐层的神经网络，输出特征向量。全连接的隐层可以增强网络的学习能力。
 
+5. **NCE层**：训练时，可以直接实用 PaddlePaddle 提供的 NCE Layer。
 ## 训练阶段
-训练直接运行``` python train.py ```。程序第一次运行会检测用户缓存文件夹中是否包含 ptb 数据集，如果未包含，则自动下载。运行过程中，每1000个 iteration 会打印模型训练信息，主要包含训练损失，每个 pass 计算一次测试损失，并同时会保存一次最新的模型。在 PaddlePaddle 中也有已经实现好的 NCE layer，有一些参数需要自行根据实际场景进行设计，代码实现如下：
+训练直接运行``` python train.py ```。程序第一次运行会检测用户缓存文件夹中是否包含 ptb 数据集，如果未包含，则自动下载。运行过程中，每1000个 iteration 会打印模型训练信息，主要包含训练损失，每个 pass 计算一次测试数据集上的损失，并同时会保存一次最新的模型。在 PaddlePaddle 中也有已经实现好的 NCE layer，有一些参数需要自行根据实际场景进行设计，代码实现如下：
 
 ```python
 cost = paddle.layer.nce(
@@ -63,15 +58,15 @@ cost = paddle.layer.nce(
 | 参数名  | 参数作用  | 介绍 |
 |:-------------: |:---------------:| :-------------:|
 | param\_attr / bias\_attr | 用来设置参数名字 |         可以方便后面预测阶段好来实现网络的参数共享，具体内容下一个章节里会陈述。|
-| num\_neg\_samples | 参数负责控制对负样例的采样个数。        |           可以控制正负样本比例 |
-| neg\_distribution | 可以控制生成负样例标签的分布，默认是一个均匀分布。 | 可以自行控制负样本采样时各个类别的权重 |
+| num\_neg\_samples | 参数负责控制对负样例的采样个数。        |           可以控制正负样本比例，这个值取值区间为 [1, 字典大小-1]，负样本个数越多则整个模型的训练速度越慢，模型精度也会越高 |
+| neg\_distribution | 控制生成负样例标签的分布，默认是一个均匀分布。 | 可以自行控制负样本采样时各个类别的采样权重，比如希望正样例为“晴天”时，负样例“洪水”在训练时更被着重区分，则可以将“洪水”这个类别的采样权重增加。 |
 | act | 表示使用何种激活函数。 | 根据 NCE 的原理，这里应该使用 sigmoid 函数。 |
 
 
 ## 预测阶段
-预测直接运行``` python infer.py ```，程序会首先加载最新模型，然后按照 batch 大小依次进行预测，并打印预测结果。预测阶段需要共享 NCE layer 中的逻辑回归训练得到的参数，因为训练和预测计算逻辑不一样，所以需要重新写推断层，推断层的参数为训练时的参数，所以需要参数共享。
+预测直接运行``` python infer.py ```，程序首先会加载最新模型，然后按照 batch 大小依次进行预测，并打印预测结果。因为训练和预测计算逻辑不一样，预测阶段需要共享 NCE Layer 中的逻辑回归训练时得到的参数，所以要写一个推断层，推断层的参数为预先训练好的参数。
 
-具体实现推断层的方法，先是通过 paddle.attr.Param 方法获取参数值，PaddlePaddle 会自行在模型中寻找相同参数名的参数并获取。然后使用 paddle.layer.trans\_full\_matrix\_projection 对隐层输出向量 hidden\_layer 做一个矩阵右乘，从而得到最后的类别向量，将类别向量输入 softmax 做一个归一操作，从而得到最后的类别概率分布。
+具体实现推断层的方法，先是通过 ```paddle.attr.Param``` 方法获取参数值，然后使用 ```paddle.layer.trans_full_matrix_projection``` 对隐层输出向量 ```hidden_layer``` 做一个矩阵右乘，PaddlePaddle 会自行在模型中寻找相同参数名的参数并获取。右乘后得到类别向量，将类别向量输入 softmax 做一个归一操作，从而得到最后的类别概率分布。
 
 代码实现如下：