20240331-1-基于深度学习的模型-编程知识

基于深度学习的模型

知识体系

主要包括深度学习相关的特征抽取模型，包括卷积网络、循环网络、注意力机制、预训练模型等。

CNN

TextCNN 是 CNN 的 NLP 版本，来自 Kim 的 [1408.5882] Convolutional Neural Networks for Sentence Classification

结构如下：

大致原理是使用多个不同大小的 filter（也叫 kernel）对文本进行特征提取，如上图所示：

首先通过 Embedding 将输入的句子映射为一个 n_seq * embed_size 大小的张量（实际中一般还会有 batch_size）
使用 (filter_size, embed_size) 大小的 filter 在输入句子序列上平滑移动，这里使用不同的 padding 策略，会得到不同 size 的输出
由于有 num_filters 个输出通道，所以上面的输出会有 num_filters 个
使用 Max Pooling 或 Average Pooling，沿着序列方向得到结果，最终每个 filter 的输出 size 为 num_filters
将不同 filter 的输出拼接后展开，作为句子的表征

RNN

RNN 的历史比 CNN 要悠久的多，常见的类型包括：

一对一（单个 Cell）：给定单个 Token 输出单个结果
一对多：给定单个字符，在时间步向前时同时输出结果序列
多对一：给定文本序列，在时间步向前执行完后输出单个结果
多对多1：给定文本序列，在时间步向前时同时输出结果序列
多对多2：给定文本序列，在时间步向前执行完后才开始输出结果序列

由于 RNN 在长文本上有梯度消失和梯度爆炸的问题，它的两个变种在实际中使用的更多。当然，它们本身也是有一些变种的，这里我们只介绍主要的模型。

LSTM：全称 Long Short-Term Memory，一篇 Sepp Hochreiter 等早在 1997 年的论文《LONG SHORT-TERM MEMORY》中被提出。主要通过对原始的 RNN 添加三个门（遗忘门、更新门、输出门）和一个记忆层使其在长文本上表现更佳。

[外链图片转存中…(img-jNNwraHK-1713793228695)]
GRU：全称 Gated Recurrent Units，由 Kyunghyun Cho 等人 2014 年在论文《Learning Phrase Representations using RNN Encoder–Decoder for Statistical Machine Translation》中首次被提出。主要将 LSTM 的三个门调整为两个门（更新门和重置门），同时将记忆状态和输出状态合二为一，在效果没有明显下降的同时，极大地提升了计算效率。

[外链图片转存中…(img-vxmAzwM8-1713793228695)]

Questions

CNN相关

CNN 有什么好处？

稀疏（局部）连接：卷积核尺寸远小于输入特征尺寸，输出层的每个节点都只与部分输入层连接
参数共享：卷积核的滑动窗在不同位置的权值是一样的
等价表示（输入/输出数据的结构化）：输入和输出在结构上保持对应关系（长文本处理容易）

CNN 有什么不足？

只有局部语义，无法从整体获取句子语义
没有位置信息，丢失了前后顺序信息

卷积层输出 size？

给定 n×n 输入，f×f 卷积核，padding p，stride s，输出的尺寸为：

$\lfloor \frac{n+2p-f}{s} + 1 \rfloor \times \lfloor \frac{n+2p-f}{s} + 1 \rfloor$

RNN

LSTM 网络结构？

LSTM 即长短时记忆网络，包括三个门：更新门（输入门）、遗忘门和输出门。公式如下：

$\hat{c}^{<t>} = \tanh (W_c [a^{<t-1}>, x^{<t>}] + b_c) \\ \Gamma_u = \sigma(W_u [a^{<t-1}>, x^{<t>}] + b_u) \\ \Gamma_f = \sigma(W_f [a^{<t-1}>, x^{<t>}] + b_f) \\ \Gamma_o = \sigma(W_o [a^{<t-1}>, x^{<t>}] + b_o) \\ c^{<t>} = \Gamma_u * \hat{c}^{<t>} + \Gamma_f*c^{<t-1>} \\ a^{<t>} = \Gamma_o * c^{<t>}$

如何解决 RNN 中的梯度消失或梯度爆炸问题？

梯度截断
ReLU、LeakReLU、Elu 等激活函数
Batch Normalization
残差连接
LSTM、GRU 等架构

假设输入维度为 m，输出为 n，求 GRU 参数？

输入 W：3nm，隐层 W：3nn，隐层 b：3n，合计共：3*(nn+nm+n)。当然，也有的实现会把前一时刻的隐层和当前时刻的输入分开，使用两个 bias，此时需要再增加 3n 个参数。

LSTM 和 GRU 的区别？

GRU 将 LSTM 的更新门、遗忘门和输出门替换为更新门和重置门
GRU 将记忆状态和输出状态合并为一个状态
GRU 参数更少，更容易收敛，但数据量大时，LSTM 效果更好

Attention

Attention 机制

Attention 核心是从输入中有选择地聚焦到特定重要信息上的一种机制。有三种不同用法：

在 encoder-decoder attention 层，query 来自上一个 decoder layer，memory keys 和 values 来自 encoder 的 output
encoder 包含 self-attention，key value 和 query 来自相同的位置，即前一层的输出。encoder 的每个位置都可以注意到前一层的所有位置
decoder 与 encoder 类似，通过将所有不合法连接 mask 以防止信息溢出

自注意力中为何要缩放？

维度较大时，向量内积容易使得 SoftMax 将概率全部分配给最大值对应的 Label，其他 Label 的概率几乎为 0，反向传播时这些梯度会变得很小甚至为 0，导致无法更新参数。因此，一般会对其进行缩放，缩放值一般使用维度 dk 开根号，是因为点积的方差是 dk，缩放后点积的方差为常数 1，这样就可以避免梯度消失问题。

另外，Hinton 等人的研究发现，在知识蒸馏过程中，学生网络以一种略微不同的方式从教师模型中抽取知识，它使用大模型在现有标记数据上生成软标签，而不是硬的二分类。直觉是软标签捕获了不同类之间的关系，这是大模型所没有的。这里的软标签就是缩放的 SoftMax。

至于为啥最后一层为啥一般不需要缩放，因为最后输出的一般是分类结果，参数更新不需要继续传播，自然也就不会有梯度消失的问题。