深度学习DAY3：FFNNLM前馈神经网络语言模型

1 神经网络语言模型NNLM的提出

文章：自然语言处理中的语言模型预训练方法（ELMo、GPT和BERT）
https://www.cnblogs.com/robert-dlut/p/9824346.html

语言模型不需要人工标注语料（属于自监督模型），所以语言模型能够从无限制的大规模语料中，学习到丰富的语义知识。
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1.1 n-gram模型问题：

①模型高度依赖训练语料，泛化能力差，也就是不同文本之间的n-gram差异很大

②模型估算概率时遇到的数据稀疏，平滑后效果也不好

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点—— 用n-gram语料库训练出来的每个词序列的出现的概率
平滑曲线——所有词序列概率相乘所得的P（S），也就是有这些词序列所组成的句子的出现概率

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离散点与曲线的距离——点1是词序列1的概率，但是离散词序列点1没在平滑曲线L上面，也就是n-gram模型会将该离散词序列1附近的另一个词序列2（在平滑曲线上）的概率作为离散词序列点1的概率去建立模型。而词序列2不一定在语料库中有出现
因此，n-gram所建立的模型对某个句子进行预测时，会有较大的概率损失。
这是无论怎么平滑都无法避免的，因为建立模型的概率点是离散的。
特别是差异很大的异常点，会对模型的结果造成比较大的影响

③n元模型无法建立长期联系

④n-gram以离散符号为统计单元，无法体现语义相似性

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由于数据是离散的，如果特别能没有在语料库出现过，而能在语料库中的出现概率很大但是特别能和能意思相近，那么根据n-gram的计算原理，两个已经意思相近的句子的出现概率可能一个为0，一个很大，而实际上两个句子的出现概率差不多，因此会有很大的概率损失误差。

1.2 NNLM 的提出

神经网络NN

为了解决这个问题，我们在将神经网络（NN）引入到了连续空间的语言建模中。NN 包括前馈神经网络（FFNN）、循环神经网络（RNN）、卷积神经网络（CNN）可以自动学习特征和连续的表征。因此，人们希望将 NN 应用于 LM，甚至其他的 NLP 任务，从而考虑自然语言的离散性、组合性和稀疏性。

n-gram学出了离散词序列出现频率点，而深度学习的神经网络语言模型直接学习出了平滑曲线

也就是不同于n-gram里面的平滑曲线是“模糊的拟合”，深度学习的平滑曲线是“更细粒度的拟合”。

NNLM可以联系长期上下文
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2 前馈神经网络FFNN

别称多层感知器（multilayer perceptrons）

2.1 包含两层隐藏层的前馈神经网络

每一个箭头都带着权重，表示其输入变量的重要程度
隐藏层中每个圆圈代表一个神经元，神经元对应着某个函数，通常都是一个非线性函数σ（sigmoid最常用，也有换成ReUL、tanh的），该类非线性函数在NN中被称为激活函数。

激活函数之sigmoid“S型函数”

激活函数之tanhh“双曲正切”函数

激活函数之ReLU“线性整流函数”

隐藏层的结果会通过线性加权组合变成下一个层的输入
输出层神经元的个数取决的任务的分类类别个数
一些层是没有线性激活函数的，比如sigmoid函数

2.2 神经元

每个神经元都是一个函数。
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2.2.1 公式：

y = σ( Σ(Wi * Xi) + b)

输入：x
输出：y
权重：Xi对应权重Wi
激活函数σ：sigmoid、tanh、ReLU

参数b：表示偏置/阈值，b是一个常数。b与加权求和值相加，然后再经过激活函数。这有助于调整神经元的灵敏度和响应特定类型的输入。

在神经元网络中，偏置是一种可学习的参数，用于调整神经元的激活值。

意义：
调整神经元的激活函数在输入为零时的截距位置。

2.2.2 神经元处理步骤：

1 对输入加权求和，加上偏置b

得到初步的点估计值

h =（Σ(W * X)+b）

意义：

特征加权重要性：权重（weights）表示了每个输入特征的重要性，它们决定了每个特征在神经元的决策中所占的比重。通过适当调整权重，神经元可以学习到哪些特征对于问题的解决更为关键，从而提高网络的性能。
偏置项引入平移：偏置项（bias）是一个常数，它的作用是引入一个平移，允许神经元在没有任何输入信号时也能发出非零的响应。这对于模型的表达能力很重要，因为它允许神经元不仅仅依赖于输入的线性组合，还能引入非线性决策。

实例：

房价预测

假设我们正在构建一个神经网络来预测房价。我们有三个输入特征：房屋面积（Area）、卧室数量（Bedrooms）、和附近学校的评分（School_Rating）。每个特征都有对应的权重，用来衡量它们在预测房价中的重要性。

权重1（w1）对应房屋面积，表示房屋面积对房价的影响程度。
权重2（w2）对应卧室数量，表示卧室数量对房价的影响程度。
权重3（w3）对应附近学校的评分，表示学校评分对房价的影响程度。

假设偏置项（b）为-10000，这意味着即使所有输入特征都为零，房价预测也不会降到零，因为偏置项引入了一个平移。这是因为即使房屋没有面积、没有卧室、学校评分为零，房价仍然有一个基本价值。

通过对这些输入进行加权求和，加上偏置项，神经元可以计算一个房价的初始估计值。然后，这个初始估计值将被送入激活函数，例如线性激活函数、Sigmoid函数或ReLU函数，以引入非线性性质并产生最终的房价预测。

2 激活函数映射——引入非线性性质

将h的值通过激活函数σ映射到一个特定的输出范围内的一个值，通常是[0, 1]或[-1, 1]

σ（h）

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意义：引入非线性性质,使神经网络能够适应更加复杂的数据模式和问题。

例子

二元分类

假设我们有一个二元分类问题，要根据一些特征来预测一封电子邮件是垃圾邮件（标记为1）还是非垃圾邮件（标记为0）。神经网络的最后一层输出单元通常需要产生一个在[0, 1]范围内的值，表示某封邮件属于垃圾邮件的概率。这时，Sigmoid激活函数非常适合用于最后一层，因为它可以将加权求和值映射到[0, 1]之间的范围。

例如，如果某封邮件的加权求和值为0，经过Sigmoid激活后，输出为0.5，表示该邮件属于垃圾邮件和非垃圾邮件的概率相等。如果加权求和值远远大于0，例如10，经过Sigmoid激活后，输出接近于1，表示邮件极有可能是垃圾邮件。反之，如果加权求和值远远小于0，例如-10，经过Sigmoid激活后，输出接近于0，表示邮件很可能是非垃圾邮件。

这样，我们可以利用Sigmoid函数将连续的加权求和值映射到概率值，方便进行分类决策。

③

3 前馈神经网络语言模型FFNNLM

(Feed Forward Neural Language Model )

前馈神经网络语言模型（FFNNLM）由 Bengio 等人于 2003 年提出，它通过学习一个单词的分布式表征（将单词表征为一个被称为「嵌入」的低维向量）来克服维数诅咒。FFNNLM 的性能要优于 N 元语言模型。

该语言模型使用了一个三层前馈神经网络来进行建模。其中有趣的发现了第一层参数，用做词表示不仅低维紧密，而且能够蕴涵语义，也就为现在大家都用的词向量（例如word2vec）打下了基础

Word2Vec是Google公司于2013年发布的一个开源词向量工具包。该项目的算法理论参考了Bengio 在2003年设计的神经网络语言模型。由于此神经网络模型使用了两次非线性变换(tanh、softmax)，网络参数很多，训练缓慢，因此不适合大语料。Mikolov团队对其做了简化，实现了Word2Vec词向量模型。 ——《NLP汉语自然语言处理原理与实践》

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右上方橙色表格为词向量矩阵，对应下面的"V"
NNLM北语讲解

3.2 LSTM-RNNLM长短期记忆循环神经网络模型

Mikolov 等人于 2010 年提出了 RNN 语言模型（RNNLM），理论上可以记忆无限个单词，可以看作"无穷元语法" (∞-gram)。
RNN解决了学习长期依赖问题，能够联系上下文
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是否三元或者四元甚至更高阶的模型就能覆盖所有的语言现象呢?答案显然是否定的。因为自然语言中，上下文之间的相关性可能跨度非常大，甚至可以从一个段落跨到另一个段落。因此，即使模型的阶数再提高，对这种情况也无可奈何，这就是马尔可夫假设的局限性，这时就要采用其他一些长程的依赖性(Long DistanceDependency）来解决这个问题了。——《数学之美》