詞對嵌入技術(shù)，可以改善現(xiàn)有模型在跨句推理上的表現(xiàn)

詞嵌入現(xiàn)在已經(jīng)成為任何基于深度學(xué)習(xí)的自然語言處理系統(tǒng)的標(biāo)配組件。然而，Glockner等最近的工作（arXiv:1805.02266）表明，當(dāng)前重度依賴無監(jiān)督詞嵌入的模型，難以學(xué)習(xí)詞對之間的隱含關(guān)系。而詞對之間的隱含關(guān)系，對問答（QA）、自然語言推理（NLI）之類的跨句推理至關(guān)重要。

例如，在NLI任務(wù)中，給定一個假設(shè)“打高爾夫球過于昂貴”（golf is prohibitively expensive），要推斷出猜想“過去打高爾夫球很便宜”（golf is a cheap pastime），需要了解“昂貴”（expensive）和“便宜”（cheap）是反義詞。而現(xiàn)有的基于詞嵌入的模型很難學(xué)習(xí)這種關(guān)系。

有鑒于此，華盛頓大學(xué)的Mandar Joshi、Eunsol Choi、Daniel S. Weld和Facebook AI研究院的Omer Levy、Luke Zettlemoyer最近提出了詞對嵌入（pair2vec）技術(shù)，可以改善現(xiàn)有模型在跨句推理上的表現(xiàn)。

詞對嵌入表示

直覺

詞對嵌入的直覺很簡單，正如上下文隱含了單詞的語義（詞嵌入），上下文也為詞對之間的關(guān)系提供了強力線索。

詞對（斜體）及其上下文（取自維基百科）

不過，總體上來說，詞對一起出現(xiàn)在同一上下文的頻率不高。為了緩解這一稀疏性問題，pair2vec學(xué)習(xí)兩個復(fù)合表示函數(shù)R(x, y)和C(c)，分別編碼詞對和上下文。

表示

R(x,y)是一個簡單的4層感知器，輸入為兩個詞向量，以及這兩個詞向量的分素乘積：

其中，x和y為經(jīng)過歸一化的基于共享查詢矩陣Ea的嵌入：

C(n)基于查詢矩陣Ec嵌入每個token ci，然后將嵌入序列傳入一個單層的雙向LSTM，再使用注意力池化加以聚合：

上面所有的參數(shù)，包括Ea和Ec，都是可訓(xùn)練的。

目標(biāo)

一方面，優(yōu)化目標(biāo)需要使在數(shù)據(jù)中觀測到的一同出現(xiàn)的(x, y, c)對應(yīng)的R(x, y)和C(c)相似（內(nèi)積較大）；另一方面，又需要使詞對和其他上下文不相似。當(dāng)然，計算所有其他上下文和詞對的相似性的算力負(fù)擔(dān)太大了，因此，論文作者采用了負(fù)采樣技術(shù)，轉(zhuǎn)而比較隨機采樣的一些上下文。

上式中的CN為隨機取樣的上下文。

這種做法其實和詞嵌入一脈相承。詞嵌入同樣面臨計算所有上下文（softmax）過于復(fù)雜的問題。因此，word2vec、skip-gram等詞嵌入技術(shù)使用了層次softmax（使用二叉樹結(jié)構(gòu)保存所有詞，從而大大縮減計算量）。后來Mikolov等提出，負(fù)采樣可以作為層次softmax的替代方案。相比層次softmax，負(fù)采樣更簡單。

不過，還記得我們之前提到的詞對稀疏性問題嗎？這種直接借鑒詞嵌入負(fù)采樣的方案，也會受此影響。所以論文作者改進(jìn)了負(fù)采樣技術(shù)，不僅對上下文c進(jìn)行負(fù)采樣，還對詞對中的單詞x和y分別進(jìn)行負(fù)采樣。這一三元負(fù)采樣目標(biāo)，完整地捕捉了x、y、c之間的交互關(guān)系：

論文作者證明（見論文附錄A.2），目標(biāo)收斂于：

上式中，P表示分素互信息（PMI），分母Zx,y,c為邊緣概率乘積的線性混合：

另外，負(fù)采樣時，除了從均勻分布中取樣外，還額外從最相似（根據(jù)余弦相似度）的100個單詞中均勻取樣。這一類型取樣（typed sampling）方法可以鼓勵模型學(xué)習(xí)具體實例間的關(guān)系。比如，使用California（加州）作為Oregon（俄勒岡州）的負(fù)樣本有助于學(xué)習(xí)“X is located in Y”（X位于Y）這樣的模式適用詞對（Portland, Oregon）（波特蘭是俄勒岡州的城市），但不適用詞對(Portland, California)。

pair2vec加入推理模型

在將pair2vec加入現(xiàn)存跨句推理模型時，論文作者并沒有用pair2vec直接替換傳入編碼器的詞嵌入，而是通過復(fù)用跨句注意力權(quán)重，將預(yù)訓(xùn)練的詞對表示插入模型的注意力層。

上圖展示了跨句注意力模型的典型架構(gòu)（左半部分）和pair2vec是如何加入這一架構(gòu)的（右半部分）。簡單解釋一下，給定兩個序列a和b，對序列a中的單詞ai，模型基于雙向LSTM編碼ai，同時基于序列b的雙向LSTM狀態(tài)創(chuàng)建相對于ai的注意力加權(quán)表示（圖中加粗的箭頭表示語義對齊）。在此基礎(chǔ)上，加上注意力加權(quán)的詞對表示ri(ai, b)。

試驗

數(shù)據(jù)

論文作者使用了2018年1月的維基百科數(shù)據(jù)，其中包含九千六百萬句子?；谠~頻限制詞匯量至十萬（預(yù)處理階段移除）。在經(jīng)過預(yù)處理的語料庫上，論文作者考慮了窗口大小5以內(nèi)的所有詞對，并基于詞對概率（閾值為5 × 10-7）降采樣實例。降采樣可以壓縮數(shù)據(jù)集大小以加速訓(xùn)練，word2vec等詞嵌入也采用降采樣。上下文從詞對左邊的一個單詞開始，到詞對右邊的一個單詞為止。另外，論文作者用X和Y替換了上下文中的詞對。

超參數(shù)

詞對和上下文均使用基于FastText初始化的300維詞嵌入。上下文表示使用的單層雙向LSTM的隱藏層尺寸為100. 每個詞對-上下文元組使用2個上下文負(fù)樣本和3個增強負(fù)樣本。

預(yù)訓(xùn)練使用隨機梯度下降，初始學(xué)習(xí)率為0.01，如果損失在30萬步后沒有下降，那么將學(xué)習(xí)率縮小至原學(xué)習(xí)率的10%。batch大小為600。預(yù)訓(xùn)練了12個epoch（在Titan X GPU上，預(yù)訓(xùn)練需要一周）。

任務(wù)模型均使用AllenNLP的實現(xiàn)，超參數(shù)取默認(rèn)值。在插入pair2vec前后沒有改動任何設(shè)置。預(yù)訓(xùn)練的詞對嵌入使用0.15的dropout.

問答任務(wù)

在SQuAD 2.0上的試驗表明，pair2vec提升了2.72 F1. 對抗SQuAD數(shù)據(jù)集上的試驗說明pair2vec同時加強了模型的概括性（F1分別提升7.14和6.11）。

均使用ELMo詞嵌入

自然語言推理

在MultiNLI數(shù)據(jù)集上，加入pair2vec后，ESIM + ELMo的表現(xiàn)提升了1.3.

Glockner等提出了一個領(lǐng)域外NLI測試集（ arXiv:1805.02266），說明除了使用WordNet特征的KIM外，多個NLI模型在比SNLI更簡單的新測試集上的表現(xiàn)反而要差不少，說明這些模型的概括性有問題。而加入pair2vec后的ESIM + ELMo模型達(dá)到了當(dāng)前最先進(jìn)水平，刷新了記錄。

順便提下，KIM的做法是現(xiàn)有研究中最接近pair2vec的。KIM同樣在ESIM模型中加入了詞對向量，但是它的詞對向量是基于WordNet手工編碼得到的。而pair2vec使用的是無監(jiān)督學(xué)習(xí)，因此可以反映WordNet中不存在的關(guān)系（例如個人-職業(yè)），以及WordNet中沒有直接聯(lián)系的詞對（例如，bronze（青銅）與statue（塑像））。

詞類比

為了揭示pair2vec加入的額外信息是什么，pair2vec能夠更好地捕捉哪類聯(lián)系，論文作者在詞類比數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了試驗。

詞類比任務(wù)是指，給定詞對(a, b)和單詞x，預(yù)測滿足a : b :: x : y的單詞y。論文作者使用的是BATS數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括四種關(guān)系：

百科語義（encyclopedic semantics），例如Einstein-physicist（愛因斯坦-物理學(xué)家）這樣的個人-職業(yè)關(guān)系。

詞典語義（lexicographic semantics），例如cheap-expensive（廉價-昂貴）這樣的反義詞。

派生形態(tài)（derivational morphology），例如oblige（動詞，迫使）與obligation（名詞，義務(wù)）。

屈折形態(tài)（inflectional morphology），例如bird-birds（鳥的單數(shù)形式和復(fù)數(shù)形式）。

每種關(guān)系各包含10個子類別。

之前我們說過，詞類比任務(wù)是要預(yù)測滿足a : b :: x : y的單詞y，而相關(guān)詞嵌入的差很大程度上能夠反映相似關(guān)系，例如，queen（后） - king（王） ≈ woman（女） - man（男）很大程度上意味著queen : king :: woman : man。所以，詞類比問題可以通過優(yōu)化cos(b - a + x, y)求解（cos表示余弦相似度，a、b、x、y為詞嵌入）。這一方法一般稱為3CosAdd法。

論文作者在3CosAdd中加入了pair2vec，得到α·cos(ra,b, rx,y) + (1-α)·cos(b - a + x, y)。其中r表示pair2vec嵌入，α為線性插值系數(shù)，α=0時等價于原3CosAdd法，α=1等價于pair2vec。

下圖顯示了在FastText中插入pair2vec的結(jié)果，黃線表示派生形態(tài)，棕線表示詞典語義，綠線表示屈折形態(tài)，藍(lán)線表示百科語義。

我們可以看到，在所有四個類別上，在3CosAdd上增加pair2vec都取得了顯著的提升，其中百科語義（356%）和詞典語義（51%）提升尤為突出。

下表顯示了提升最明顯的10個子類別，α*為最優(yōu)插值參數(shù)。

從上表我們可以看到，在FastText嵌入提供的信號十分有限的關(guān)系上，提升尤為顯著。論文作者還觀察到，某些情形下pair2vec和FastText存在協(xié)同效應(yīng)，比如，noun+less關(guān)系中，3CosAdd原本評分為4.8，pair2vec自身評分為0，但3CosAdd加上pair2vec后，評分為16。

填槽

為了進(jìn)一步探索pair2vec如何編碼補充信息，論文作者嘗試了填槽（slot filling）任務(wù)：給定Hearst式的上下文模式c、單詞x，預(yù)測取自整個詞匯表的單詞y。候選單詞y的排序基于訓(xùn)練目標(biāo)R(x,y)·C(c)的評分函數(shù)，采用固定的關(guān)系樣本，并手工定義上下文模式和一小組候選詞x。

下表顯示了評分最高的三個y單詞。

斜體表示正確匹配

上表說明，pair2vec可以捕捉詞對和上下文間的三邊關(guān)系，而不僅僅是單個單詞和上下文之間的雙邊關(guān)系（詞嵌入）。這一巨大差別使pair2vec可以為詞嵌入補充額外信息。

消融測試

為了驗證pair2vec各組件的有效性，論文作者也在SQuAD 2.0的訓(xùn)練集上做了消融測試。消融測試表明，增強采樣和使用較深的復(fù)合函數(shù)效果顯著。

結(jié)語

pair2vec基于復(fù)合函數(shù)表示，有效緩解了詞對的稀疏性問題。基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)預(yù)訓(xùn)練的pair2vec，能夠為詞嵌入補充信息，從而提升跨句推理模型的表現(xiàn)。