从代码角度理解NNLM(A Neural Probabilistic Language Model)
其框架结构如下所示:
可分为四 个部分:
- 词嵌入部分
- 输入
- 隐含层
- 输出层
我们要明确任务是通过一个文本序列(分词后的序列)去预测下一个字出现的概率,tensorflow代码如下:
参考:https://github.com/pjlintw/NNLM/blob/master/src/nnlm.py
import argparse
import math
import time
import numpy as np
import tensorflow as tf
from datetime import date from preprocessing import TextLoader def main():
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('--data_dir', type=str, default='data/',
help='data directory containing input.txt')
parser.add_argument('--batch_size', type=int, default=120,
help='minibatch size')
parser.add_argument('--win_size', type=int, default=5,
help='context sequence length')
parser.add_argument('--hidden_num', type=int, default=100,
help='number of hidden layers')
parser.add_argument('--word_dim', type=int, default=300,
help='number of word embedding')
parser.add_argument('--num_epochs', type=int, default=3,
help='number of epochs')
parser.add_argument('--grad_clip', type=float, default=10.,
help='clip gradients at this value') args = parser.parse_args()
args_msg = '\n'.join([ arg + ': ' + str(getattr(args, arg)) for arg in vars(args)]) data_loader = TextLoader(args.data_dir, args.batch_size, args.win_size)
args.vocab_size = data_loader.vocab_size graph = tf.Graph()
with graph.as_default():
input_data = tf.placeholder(tf.int64, [args.batch_size, args.win_size])
targets = tf.placeholder(tf.int64, [args.batch_size, 1]) with tf.variable_scope('nnlm' + 'embedding'):
embeddings = tf.Variable(tf.random_uniform([args.vocab_size, args.word_dim], -1.0, 1.0))
embeddings = tf.nn.l2_normalize(embeddings, 1) with tf.variable_scope('nnlm' + 'weight'):
weight_h = tf.Variable(tf.truncated_normal([args.win_size * args.word_dim, args.hidden_num],
stddev=1.0 / math.sqrt(args.hidden_num)))
softmax_w = tf.Variable(tf.truncated_normal([args.win_size * args.word_dim, args.vocab_size],
stddev=1.0 / math.sqrt(args.win_size * args.word_dim)))
softmax_u = tf.Variable(tf.truncated_normal([args.hidden_num, args.vocab_size],
stddev=1.0 / math.sqrt(args.hidden_num))) b_1 = tf.Variable(tf.random_normal([args.hidden_num]))
b_2 = tf.Variable(tf.random_normal([args.vocab_size])) def infer_output(input_data):
"""
hidden = tanh(x * H + b_1)
output = softmax(x * W + hidden * U + b_2)
"""
input_data_emb = tf.nn.embedding_lookup(embeddings, input_data)
input_data_emb = tf.reshape(input_data_emb, [-1, args.win_size * args.word_dim])
hidden = tf.tanh(tf.matmul(input_data_emb, weight_h)) + b_1
hidden_output = tf.matmul(hidden, softmax_u) + tf.matmul(input_data_emb, softmax_w) + b_2
output = tf.nn.softmax(hidden_output)
return output outputs = infer_output(input_data)
one_hot_targets = tf.one_hot(tf.squeeze(targets), args.vocab_size, 1.0, 0.0)
loss = -tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(tf.log(outputs) * one_hot_targets, 1))
# Clip grad.
optimizer = tf.train.AdagradOptimizer(0.1)
gvs = optimizer.compute_gradients(loss)
capped_gvs = [(tf.clip_by_value(grad, -args.grad_clip, args.grad_clip), var) for grad, var in gvs]
optimizer = optimizer.apply_gradients(capped_gvs) embeddings_norm = tf.sqrt(tf.reduce_sum(tf.square(embeddings), 1, keep_dims=True))
normalized_embeddings = embeddings / embeddings_norm
processing_message_lst = list()
with tf.Session(graph=graph) as sess: tf.global_variables_initializer().run()
for e in range(args.num_epochs):
data_loader.reset_batch_pointer()
for b in range(data_loader.num_batches):
start = time.time()
x, y = data_loader.next_batch()
feed = {input_data: x, targets: y}
train_loss, _ = sess.run([loss, optimizer], feed)
end = time.time() processing_message = "{}/{} (epoch {}), train_loss = {:.3f}, time/batch = {:.3f}".format(
b, data_loader.num_batches,
e, train_loss, end - start) print(processing_message)
processing_message_lst.append(processing_message)
# print("{}/{} (epoch {}), train_loss = {:.3f}, time/batch = {:.3f}".format(
# b, data_loader.num_batches,
# e, train_loss, end - start)) np.save('nnlm_word_embeddings.zh', normalized_embeddings.eval()) # record training processing
print(start - end)
local_time = str(time.strftime("%Y-%m-%d_%H:%M:%S", time.localtime()))
with open("{}.txt".format('casdsa'), 'w', encoding='utf-8') as f:
f.write(local_time)
f.write(args_msg)
f.write('\n'.join(processing_message_lst)) if __name__ == '__main__':
main()
我们主要关注的是模型的部分:
词嵌入部分:
embeddings = tf.Variable(tf.random_uniform([args.vocab_size, args.word_dim], -1.0, 1.0))
生成一个[V, N]的矩阵,其中V表示词汇表,由所有词构成,word_dim表示每个词表示的维度;
输入部分:
input_data_emb = tf.nn.embedding_lookup(embeddings, input_data)
input_data_emb = tf.reshape(input_data_emb, [-1, args.win_size * args.word_dim])
我们分词后的每一个词是用其在词汇表中对应的索引来表示的,比如:“我 爱 美丽 的 中国”,表示为[8,12,27,112] ,我们对应的标签就是[44],即我们根据前面4个词来预测最后一个词,此时我们得到的是[batchsize,N,word_dim],然后将其调整形状为:[batchsize,N*word_dim];
隐含层部分:
hidden = tf.tanh(tf.matmul(input_data_emb, weight_h)) + b_1
将之前的每个词嵌入拼接起来后做一个映射,再经过一个tanh激活函数;
输出部分:
hidden_output = tf.matmul(hidden, softmax_u) + tf.matmul(input_data_emb, softmax_w) + b_2
output = tf.nn.softmax(hidden_output)
这里由两个部分组成,一个是隐含层的输出,一个是输入层直接经过映射(跳过隐含层)到输出层的输出,需要注意的是输出层的神经元的个数就是词汇表的大小;
最后在计算损失的时候是:
outputs = infer_output(input_data)
one_hot_targets = tf.one_hot(tf.squeeze(targets), args.vocab_size, 1.0, 0.0)
loss = -tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(tf.log(outputs) * one_hot_targets, 1))
训练完成之后我们最终需要的是词嵌入,也就是:
embeddings_norm = tf.sqrt(tf.reduce_sum(tf.square(embeddings), 1, keep_dims=True))
normalized_embeddings = embeddings / embeddings_norm
下面是pytorch版本的,思路是一样的:
参考:https://github.com/LeeGitaek/NNLM_Paper_Implementation/blob/master/nnlm_model.py
# -*- coding: utf-8 -*-
"""NNLM_paper.ipynb
Automatically generated by Colaboratory.
Original file is located at
https://colab.research.google.com/drive/1q6tWzcpFLzU_qvzvkdYiDaxSp--y6nFR
""" import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import numpy as np
from torch.autograd import Variable device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu' torch.manual_seed(777)
if device == 'cuda':
torch.cuda.manual_seed_all(777) sentences = ['i like dog','i love coffee','i hate milk'] word_list = ' '.join(sentences).split()
word_list = list(set(word_list))
print(word_list) word_dict = {w: i for i,w in enumerate(word_list)}
print('word dict')
print(word_dict)
number_dict = {i: w for i, w in enumerate(word_list)}
print(number_dict)
n_class = len(word_dict) # number of vocabulary print(n_class) #NNLM Parameter
n_step = 2 # n-1 in paper
n_hidden = 2 # h in paper
m = 2 # m in paper
epochs = 5000
learning_rate = 0.001 def make_batch(sentences):
input_batch = []
target_batch = [] for sen in sentences:
word = sen.split()
input = [word_dict[n] for n in word[:-1]]
target = word_dict[word[-1]] input_batch.append(input)
target_batch.append(target) return input_batch,target_batch #model class NNLM(nn.Module):
def __init__(self):
super(NNLM,self).__init__() self.C = nn.Embedding(n_class,m)
self.H = nn.Parameter(torch.randn(n_step * m,n_hidden).type(torch.Tensor))
self.W = nn.Parameter(torch.randn(n_step * m,n_class).type(torch.Tensor))
self.d = nn.Parameter(torch.randn(n_hidden).type(torch.Tensor))
self.U = nn.Parameter(torch.randn(n_hidden,n_class).type(torch.Tensor))
self.b = nn.Parameter(torch.randn(n_class).type(torch.Tensor)) def forward(self,x):
x = self.C(x)
x = x.view(-1,n_step*m) # batch_size,n_step * n_class
tanh = torch.tanh(self.d + torch.mm(x,self.H))
output = self.b + torch.mm(x,self.W)+torch.mm(tanh,self.U)
return output
model = NNLM() criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(),lr=learning_rate) input_batch , target_batch = make_batch(sentences)
print(input_batch)
print('target_batch')
print(target_batch)
input_batch = Variable(torch.LongTensor(input_batch))
target_batch = Variable(torch.LongTensor(target_batch)) for epoch in range(epochs):
optimizer.zero_grad()
output = model(input_batch) loss = criterion(output,target_batch)
if (epoch+1)%100 == 0:
print('epoch : {:.4f} , cost = {:.6f}'.format(epoch+1,loss)) loss.backward()
optimizer.step() predict = model(input_batch).data.max(1,keepdim=True)[1] print([sen.split()[:2] for sen in sentences],'->',[number_dict[n.item()] for n in predict.squeeze()])
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