aitech-moj-2023/wyk/09_Rekurencyjny_model_jezyka.ipynb
2022-05-28 14:15:35 +02:00

415 lines
13 KiB
Plaintext

{
"cells": [
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"## Model języka oparty na rekurencyjnej sieci neuronowej\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"### Podejście rekurencyjne\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Na poprzednim wykładzie rozpatrywaliśmy różne funkcje\n",
"$A(w_1,\\dots,w_{i-1})$, dzięki którym możliwe było „skompresowanie” ciągu słów\n",
"(a właściwie ich zanurzeń) o dowolnej długości w wektor o stałej długości.\n",
"\n",
"Funkcję $A$ moglibyśmy zdefiniować w inny sposób, w sposób ****rekurencyjny****.\n",
"\n",
"Otóż moglibyśmy zdekomponować funkcję $A$ do\n",
"\n",
"- pewnego stanu początkowego $\\vec{s_0} \\in \\mathcal{R}^p$,\n",
"- pewnej funkcji rekurencyjnej $R : \\mathcal{R}^p \\times \\mathcal{R}^m \\rightarrow \\mathcal{R}^p$.\n",
"\n",
"Wówczas funkcję $A$ można będzie zdefiniować rekurencyjnie jako:\n",
"\n",
"$$A(w_1,\\dots,w_t) = R(A(w_1,\\dots,w_{t-1}), E(w_t)),$$\n",
"\n",
"przy czym dla ciągu pustego:\n",
"\n",
"$$A(\\epsilon) = \\vec{s_0}$$\n",
"\n",
"Przypomnijmy, że $m$ to rozmiar zanurzenia (embeddingu). Z kolei $p$ to rozmiar wektora stanu\n",
"(często $p=m$, ale nie jest to konieczne).\n",
"\n",
"Przy takim podejściu rekurencyjnym wprowadzamy niejako „strzałkę\n",
"czasu”, możemy mówić o przetwarzaniu krok po kroku.\n",
"\n",
"W wypadku modelowania języka możemy końcowy wektor stanu zrzutować do wektora o rozmiarze słownika\n",
"i zastosować softmax:\n",
"\n",
"$$\\vec{y} = \\operatorname{softmax}(CA(w_1,\\dots,w_{i-1})),$$\n",
"\n",
"gdzie $C$ jest wyuczalną macierzą o rozmiarze $|V| \\times p$.\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"### Worek słów zdefiniowany rekurencyjnie\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Nietrudno zdefiniować model „worka słów” w taki rekurencyjny sposób:\n",
"\n",
"- $p=m$,\n",
"- $\\vec{s_0} = [0,\\dots,0]$,\n",
"- $R(\\vec{s}, \\vec{x}) = \\vec{s} + \\vec{x}.$\n",
"\n",
"Dodawanie (również wektorowe) jest operacją przemienną i łączną, więc\n",
"to rekurencyjne spojrzenie niewiele tu wnosi. Można jednak zastosować\n",
"inną funkcję $R$, która nie jest przemienna — w ten sposób wyjdziemy poza\n",
"nieuporządkowany worek słów.\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"### Związek z programowaniem funkcyjnym\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Zauważmy, że stosowane tutaj podejście jest tożsame z zastosowaniem funkcji typu `fold`\n",
"w językach funkcyjnych:\n",
"\n",
"![img](./09_Rekurencyjny_model_jezyka/fold.png \"Opis funkcji foldl w języku Haskell\")\n",
"\n",
"W Pythonie odpowiednik `fold` jest funkcja `reduce` z pakietu `functools`:\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 1,
"metadata": {},
"outputs": [
{
"name": "stdout",
"output_type": "stream",
"text": [
"18"
]
}
],
"source": [
"from functools import reduce\n",
"\n",
"def product(ns):\n",
" return reduce(lambda a, b: a * b, ns, 1)\n",
"\n",
"product([2, 3, 1, 3])"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"### Sieci rekurencyjne\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"W jaki sposób „złamać” przemienność i wprowadzić porządek? Jedną z\n",
"najprostszych operacji nieprzemiennych jest konkatenacja — możemy\n",
"dokonać konkatenacji wektora stanu i bieżącego stanu, a następnie\n",
"zastosować jakąś prostą operację (na wyjściu musimy mieć wektor o\n",
"rozmiarze $p$, nie $p + m$!), dobrze przy okazji „złamać” też\n",
"liniowość operacji. Możemy po prostu zastosować rzutowanie (mnożenie\n",
"przez macierz) i jakąś prostą funkcję aktywacji (na przykład sigmoidę):\n",
"\n",
"$$R(\\vec{s}, \\vec{e}) = \\sigma(W[\\vec{s},\\vec{e}] + \\vec{b}).$$\n",
"\n",
"Dodatkowo jeszcze wprowadziliśmy wektor obciążeń $\\vec{b}$, a zatem wyuczalne wagi obejmują:\n",
"\n",
"- macierz $W \\in \\mathcal{R}^p \\times \\mathcal{R}^{p+m}$,\n",
"- wektor obciążeń $b \\in \\mathcal{R}^p$.\n",
"\n",
"Olbrzymią zaletą sieci rekurencyjnych jest fakt, że liczba wag nie zależy od rozmiaru wejścia!\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"#### Zwykła sieć rekurencyjna\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Wyżej zdefiniową sieć nazywamy „zwykłą” siecią rekurencyjną (*Vanilla RNN*).\n",
"\n",
"**Uwaga**: przez RNN czasami rozumie się taką „zwykłą” sieć\n",
"rekurencyjną, a czasami szerszą klasę sieci rekurencyjnych\n",
"obejmujących również sieci GRU czy LSTM (zob. poniżej).\n",
"\n",
"![img](./09_Rekurencyjny_model_jezyka/rnn.drawio.png \"Schemat prostego modelu języka opartego na zwykłej sieci rekurencyjnych\")\n",
"\n",
"**Uwaga**: powyższy schemat nie obejmuje już „całego” działania sieci,\n",
" tylko pojedynczy krok czasowy.\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"#### Praktyczna niestosowalność prostych sieci RNN\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Niestety w praktyce proste sieci RNN sprawiają duże trudności jeśli\n",
"chodzi o propagację wsteczną — pojawia się zjawisko zanikającego\n",
"(rzadziej: eksplodującego) gradientu. Dlatego zaproponowano różne\n",
"modyfikacje sieci RNN. Zacznijmy od omówienia stosunkowo prostej sieci GRU.\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"### Sieć GRU\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"GRU (*Gated Recurrent Unit*) to sieć z dwiema ****bramkami**** (*gates*):\n",
"\n",
"- bramką resetu (*reset gate*) $\\Gamma_\\gamma \\in \\mathcal{R}^p$ — która określa, w jakim\n",
" stopniu sieć ma pamiętać albo zapominać stan z poprzedniego kroku,\n",
"- bramką aktualizacji (*update gate*) $\\Gamma_u \\in \\mathcal{R}^p$ — która określa wpływ\n",
" bieżącego wyrazu na zmianę stanu.\n",
"\n",
"Tak więc w skrajnym przypadku:\n",
"\n",
"- jeśli $\\Gamma_\\gamma = [0,\\dots,0]$, sieć całkowicie zapomina\n",
" informację płynącą z poprzednich wyrazów,\n",
"- jeśli $\\Gamma_u = [0,\\dots,0]$, sieć nie bierze pod uwagę\n",
" bieżącego wyrazu.\n",
"\n",
"Zauważmy, że bramki mogą selektywnie, na każdej pozycji wektora stanu,\n",
"sterować przepływem informacji. Na przykład $\\Gamma_\\gamma =\n",
"[0,1,\\dots,1]$ oznacza, że pierwsza pozycja wektora stanu jest\n",
"zapominana, a pozostałe — wnoszą wkład w całości.\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"#### Wzory\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Najpierw zdefiniujmy pośredni stan $\\vec{\\xi} \\in \\mathcal{R}^p$:\n",
"\n",
"$$\\vec{\\xi_t} = \\operatorname{tanh}(W_{\\xi}[\\Gamma_\\gamma \\bullet \\vec{s_{t-1}}, E(w_t)] + b_{\\xi}),$$\n",
"\n",
"gdzie $\\bullet$ oznacza iloczyn Hadamarda (nie iloczyn skalarny!) dwóch wektorów:\n",
"\n",
"$$[x_1,\\dots,x_n] \\bullet [y_1,\\dots,y_n] = [x_1 y_1,\\dots,x_n y_n].$$\n",
"\n",
"Jak widać, obliczanie $\\vec{\\xi_t}$ bardzo przypomina zwykłą sieć rekurencyjną,\n",
"jedyna różnica polega na tym, że za pomocą bramki $\\Gamma_\\gamma$\n",
"modulujemy wpływ poprzedniego stanu.\n",
"\n",
"Ostateczna wartość stanu jest średnią ważoną poprzedniego stanu i bieżącego stanu pośredniego:\n",
"\n",
"$$\\vec{s_t} = \\Gamma_u \\bullet \\vec{\\xi_t} + (1 - \\Gamma_u) \\bullet \\vec{s_{t-1}}.$$\n",
"\n",
"Skąd się biorą bramki $\\Gamma_\\gamma$ i $\\Gamma_u$? Również z poprzedniego stanu i z biężacego wyrazu.\n",
"\n",
"$$\\Gamma_\\gamma = \\sigma(W_\\gamma[\\vec{s_{t-1}},E(w_t)] + \\vec{b_\\gamma}),$$\n",
"\n",
"$$\\Gamma_u = \\sigma(W_u[\\vec{s_{t-1}},E(w_t)] + \\vec{b_u}),$$\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"### Sieć LSTM\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Architektura LSTM (*Long Short-Term Memory*), choć powstała wcześniej\n",
"niż GRU, jest od niej nieco bardziej skomplikowana.\n",
"\n",
"- zamiast dwóch bramek LSTM zawiera ****trzy bramki****: bramkę wejścia (*input gate*),\n",
" bramkę wyjścia (*output gate*) i bramkę zapominania (*forget gate*),\n",
"- oprócz ukrytego stanu $\\vec{s_t}$ sieć LSTM posiada również ****komórkę pamięci**** (*memory cell*),\n",
" $\\vec{c_t}$, komórka pamięci, w przeciwieństwie do stanu, zmienia się wolniej (intuicyjnie:\n",
" *jeśli nie zrobimy nic specjalnego, wartość komórki pamięci się nie zmieni*).\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"#### Wzory\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Komórka pamięci modulowana jest za pomocą bramki zapominania ($\\Gamma_f$) i bramki\n",
"wejścia ($\\Gamma_i$), bramki te określają na ile uwzględniamy, odpowiednio,\n",
"poprzednią wartość komórki pamięci $\\vec{c_{t-1}}$ i wejście, a\n",
"właściwie wejście w połączeniu z poprzednim stanem:\n",
"\n",
"$$\\vec{c_t} = \\Gamma_f \\bullet \\vec{c_{t-1}} + \\Gamma_i \\bullet \\vec{\\xi_t},$$\n",
"\n",
"gdzie wektor pomocniczy $\\vec{\\xi_t}$ wyliczany jest w następujący sposób:\n",
"\n",
"$$\\vec{\\xi_t} = \\operatorname{tanh}(W_{\\xi}[\\vec{s_{t-1}}, E(w_t)] + \\vec{b_\\xi}.$$\n",
"\n",
"Nowa wartość stanu sieci nie zależy bezpośrednio od poprzedniej wartości stanu, lecz\n",
"jest równa komórce pamięci modulowanej bramką wyjścia:\n",
"\n",
"$$\\vec{h_t} = \\Gamma_o \\bullet \\operatorname{tanh}(\\vec{c_t}).$$\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"#### Obliczanie bramek\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Wartości wszystkie trzech bramek są liczone w identyczny sposób (wzory\n",
"różnią się tylko macierzami wag i wektorem obciążeń):\n",
"\n",
"$$\\Gamma_f = \\sigma(W_f[\\vec{s_{t-1}}, E(w_t)] + \\vec{b_f}),$$\n",
"\n",
"$$\\Gamma_i = \\sigma(W_i[\\vec{s_{t-1}}, E(w_t)] + \\vec{b_i}),$$\n",
"\n",
"$$\\Gamma_o = \\sigma(W_o[\\vec{s_{t-1}}, E(w_t)] + \\vec{b_o}).$$\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"#### Wartości początkowe\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Początkowe wartości stanu i komórki pamięci mogą być ustawione na zero:\n",
"\n",
"$$\\vec{s_0} = \\vec{0},$$\n",
"\n",
"$$\\vec{c_0} = \\vec{0}.$$\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"#### Podsumowanie\n",
"\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Sieci LSTM dominowały w zagadnieniach przetwarzania języka naturalnego\n",
"(ogólniej: przetwarzania sekwencji) do czasu pojawienia się\n",
"architektury Transformer w 2017 roku.\n",
"\n",
"Na sieci LSTM oparty był ELMo, jeden z pierwszych dużych\n",
"****pretrenowanych modeli języka****, dostrajanych później pod konkretne\n",
"zadania (na przykład klasyfikację tekstu), zob. artykuł [Deep\n",
"contextualized word\n",
"representations]([https://arxiv.org/pdf/1802.05365.pdf](https://arxiv.org/pdf/1802.05365.pdf)). Dokładniej\n",
"mówiąc, ELMo był siecią ****BiLSTM****, połączeniem dwóch sieci, jednej\n",
"działającej z lewej strony na prawą, drugiej — z prawej do lewej.\n",
"\n"
]
}
],
"metadata": {
"kernelspec": {
"display_name": "Python 3 (ipykernel)",
"language": "python",
"name": "python3"
},
"language_info": {
"codemirror_mode": {
"name": "ipython",
"version": 3
},
"file_extension": ".py",
"mimetype": "text/x-python",
"name": "python",
"nbconvert_exporter": "python",
"pygments_lexer": "ipython3",
"version": "3.10.2"
},
"org": null
},
"nbformat": 4,
"nbformat_minor": 1
}