自然語言處理的ELMO使用

1、概述

word embedding 是現(xiàn)在自然語言處理中最常用的 word representation 的方法，常用的word embedding 是word2vec的方法，然而word2vec本質(zhì)上是一個靜態(tài)模型，也就是說利用word2vec訓(xùn)練完每個詞之后，詞的表示就固定了，之后使用的時候，無論新句子上下文的信息是什么，這個詞的word embedding 都不會跟隨上下文的場景發(fā)生變化，這種情況對于多義詞是非常不友好的。例如英文中的 Bank這個單詞，既有河岸的意思，又有銀行的意思，但是在利用word2vec進行word embedding 預(yù)訓(xùn)練的時候會獲得一個混合多種語義的固定向量表示。即使在根據(jù)上下文的信息能明顯知道是“銀行”的情況下，它對應(yīng)的word embedding的內(nèi)容也不會發(fā)生改變。

ELMO的提出就是為了解決這種語境問題，動態(tài)的去更新詞的word embedding。ELMO的本質(zhì)思想是：事先用語言模型在一個大的語料庫上學(xué)習(xí)好詞的word embedding，但此時的多義詞仍然無法區(qū)分，不過沒關(guān)系，我們接著用我們的訓(xùn)練數(shù)據(jù)（去除標(biāo)簽）來fine-tuning 預(yù)訓(xùn)練好的ELMO 模型。作者將這種稱為domain transfer。這樣利用我們訓(xùn)練數(shù)據(jù)的上下文信息就可以獲得詞在當(dāng)前語境下的word embedding。作者給出了ELMO 和Glove的對比

對于Glove訓(xùn)練出來的word embedding來說，多義詞play，根據(jù)他的embedding 找出的最接近的其他單詞大多數(shù)幾種在體育領(lǐng)域，這主要是因為訓(xùn)練數(shù)據(jù)中包含play的句子大多數(shù)來源于體育領(lǐng)域，之后在其他語境下，play的embedding依然是和體育相關(guān)的。而使用ELMO，根據(jù)上下文動態(tài)調(diào)整后的embedding不僅能夠找出對應(yīng)的“表演”相同的句子，還能保證找出的句子中的play對應(yīng)的詞性也是相同的。接下來看看ELMO是怎么實現(xiàn)這樣的結(jié)果的。

2、模型結(jié)構(gòu)

ELMO 基于語言模型的，確切的來說是一個 Bidirectional language models，也是一個 Bidirectional LSTM結(jié)構(gòu)。我們要做的是給定一個含有N個tokens的序列

t1, t2, ... , tN

其前向表示為：

反向表示為：

從上面的聯(lián)合概率來看是一個典型的語言模型，前向利用上文來預(yù)測下文，后向利用下文來預(yù)測上文。假設(shè)輸入的token是，在每一個位置 k ，每一層LSTM 上都輸出相應(yīng)的context-dependent的表征。

這里 j = 1 , 2 , ... , L ，L 表示LSTM的層數(shù)。頂層的LSTM 輸出，通過softmax層來預(yù)測下一個。

對數(shù)似然函數(shù)表示如下：

模型的結(jié)構(gòu)圖如下：

ELMO 模型不同于之前的其他模型只用最后一層的輸出值來作為word embedding的值，而是用所有層的輸出值的線性組合來表示word embedding的值。

對于每個token，一個L層的 biLM要計算出 2L + 1 個表征：

在上面等于，表示的是token層的值。

在下游任務(wù)中會把 Rk壓縮成一個向量：

其中是softmax標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重，γtask?是縮放系數(shù)，允許任務(wù)模型去縮放整個ELMO向量。

ELMO的使用主要有三步：

1）在大的語料庫上預(yù)訓(xùn)練 biLM 模型。模型由兩層bi-LSTM 組成，模型之間用residual connection 連接起來。而且作者認(rèn)為低層的bi-LSTM層能提取語料中的句法信息，高層的bi-LSTM能提取語料中的語義信息。

2）在我們的訓(xùn)練語料（去除標(biāo)簽），fine-tuning 預(yù)訓(xùn)練好的biLM 模型。這一步可以看作是biLM的domain transfer。

3）利用ELMO 產(chǎn)生的word embedding來作為任務(wù)的輸入，有時也可以即在輸入時加入，也在輸出時加入。

ELMO 在六項任務(wù)上取得了the state of the art ，包括問答，情感分析等任務(wù)。總的來說，ELMO提供了詞級別的動態(tài)表示，能有效的捕捉語境信息，解決多義詞的問題。