PyTorch 在自然语言处理中的应用案例研究

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简介: 【8月更文第27天】PyTorch 是一个强大的开源机器学习框架,它为开发者提供了构建和训练深度学习模型的能力。在自然语言处理(NLP)领域,PyTorch 提供了一系列工具和库,使开发者能够快速地实现和测试新的想法。本文将介绍如何使用 PyTorch 来解决常见的 NLP 问题,包括文本分类和机器翻译,并提供具体的代码示例。

概述

PyTorch 是一个强大的开源机器学习框架,它为开发者提供了构建和训练深度学习模型的能力。在自然语言处理(NLP)领域,PyTorch 提供了一系列工具和库,使开发者能够快速地实现和测试新的想法。本文将介绍如何使用 PyTorch 来解决常见的 NLP 问题,包括文本分类和机器翻译,并提供具体的代码示例。

文本分类

文本分类是自然语言处理中的一个基础任务,它的目标是将文本分配给预定义的类别。例如,情感分析就是一种典型的文本分类任务,用于判断一段文本的情感倾向是积极还是消极。

数据准备

对于文本分类任务,我们需要一个带有标签的数据集。这里我们将使用 IMDB 电影评论数据集作为示例。

import torch
from torchtext.data import Field, LabelField, TabularDataset, BucketIterator
from torchtext.datasets import IMDB
import spacy

# 定义字段
nlp = spacy.load('en_core_web_sm')
def tokenizer(text):  # 创建自定义分词器
    return [token.text for token in nlp.tokenizer(text)]

TEXT = Field(sequential=True, tokenize=tokenizer, lower=True)
LABEL = LabelField(dtype=torch.float)

# 加载 IMDB 数据集
train_data, test_data = IMDB.splits(TEXT, LABEL)

# 构建词汇表
TEXT.build_vocab(train_data, max_size=25000, vectors="glove.6B.100d")
LABEL.build_vocab(train_data)

# 创建迭代器
train_iter, test_iter = BucketIterator.splits((train_data, test_data), batch_size=64, device='cuda')

# 显示词汇表中的前10个单词
print(TEXT.vocab.itos[:10])
构建模型

接下来,我们将构建一个简单的 LSTM 模型来进行文本分类。

import torch.nn as nn

class LSTMClassifier(nn.Module):
    def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, hidden_dim, output_dim, n_layers, bidirectional, dropout):
        super().__init__()

        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim)
        self.lstm = nn.LSTM(embedding_dim,
                            hidden_dim,
                            num_layers=n_layers,
                            bidirectional=bidirectional,
                            dropout=dropout)

        self.fc = nn.Linear(hidden_dim * 2, output_dim)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, text):
        embedded = self.dropout(self.embedding(text))

        output, (hidden, cell) = self.lstm(embedded)

        hidden = self.dropout(torch.cat((hidden[-2,:,:], hidden[-1,:,:]), dim=1))
        return self.fc(hidden.squeeze(0))

INPUT_DIM = len(TEXT.vocab)
EMBEDDING_DIM = 100
HIDDEN_DIM = 256
OUTPUT_DIM = 1
N_LAYERS = 2
BIDIRECTIONAL = True
DROPOUT = 0.5

model = LSTMClassifier(INPUT_DIM, EMBEDDING_DIM, HIDDEN_DIM, OUTPUT_DIM, N_LAYERS, BIDIRECTIONAL, DROPOUT)
训练模型

现在,我们将定义损失函数和优化器,并训练我们的模型。

import torch.optim as optim

optimizer = optim.Adam(model.parameters())
criterion = nn.BCEWithLogitsLoss()

def train(model, iterator, optimizer, criterion):
    epoch_loss = 0
    epoch_acc = 0

    model.train()

    for batch in iterator:
        optimizer.zero_grad()
        predictions = model(batch.text).squeeze(1)
        loss = criterion(predictions, batch.label)
        acc = binary_accuracy(predictions, batch.label)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        epoch_loss += loss.item()
        epoch_acc += acc.item()

    return epoch_loss / len(iterator), epoch_acc / len(iterator)

def evaluate(model, iterator, criterion):
    epoch_loss = 0
    epoch_acc = 0

    model.eval()

    with torch.no_grad():
        for batch in iterator:
            predictions = model(batch.text).squeeze(1)
            loss = criterion(predictions, batch.label)
            acc = binary_accuracy(predictions, batch.label)
            epoch_loss += loss.item()
            epoch_acc += acc.item()

    return epoch_loss / len(iterator), epoch_acc / len(iterator)

def binary_accuracy(preds, y):
    rounded_preds = torch.round(torch.sigmoid(preds))
    correct = (rounded_preds == y).float()
    acc = correct.sum() / len(correct)
    return acc

N_EPOCHS = 5

for epoch in range(N_EPOCHS):
    train_loss, train_acc = train(model, train_iter, optimizer, criterion)
    test_loss, test_acc = evaluate(model, test_iter, criterion)

    print(f'Epoch: {epoch+1:02}')
    print(f'\tTrain Loss: {train_loss:.3f} | Train Acc: {train_acc*100:.2f}%')
    print(f'\t Test Loss: {test_loss:.3f} |  Test Acc: {test_acc*100:.2f}%')

机器翻译

机器翻译是另一种重要的 NLP 任务,其目标是将文本从一种语言翻译成另一种语言。我们将使用一个简单的序列到序列(Seq2Seq)模型来完成这项任务。

数据准备

为了演示机器翻译,我们将使用一个小规模的英德翻译数据集。

from torchtext.datasets import Multi30k

SRC = Field(tokenize=tokenizer, init_token='<sos>', eos_token='<eos>', lower=True)
TRG = Field(tokenize=tokenizer, init_token='<sos>', eos_token='<eos>', lower=True)

train_data, valid_data, test_data = Multi30k.splits(exts=('.de', '.en'), fields=(SRC, TRG))

SRC.build_vocab(train_data, min_freq=2)
TRG.build_vocab(train_data, min_freq=2)

train_iterator, valid_iterator, test_iterator = BucketIterator.splits(
    (train_data, valid_data, test_data), 
    batch_size=128, 
    sort_within_batch=True, 
    sort_key=lambda x: len(x.src), 
    device='cuda')
构建模型

我们将构建一个包含编码器和解码器的 Seq2Seq 模型。

class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, emb_dim, hid_dim, n_layers, dropout):
        super().__init__()

        self.hid_dim = hid_dim
        self.n_layers = n_layers

        self.embedding = nn.Embedding(input_dim, emb_dim)

        self.rnn = nn.LSTM(emb_dim, hid_dim, n_layers, dropout=dropout)

        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, src):
        embedded = self.dropout(self.embedding(src))

        outputs, (hidden, cell) = self.rnn(embedded)

        return hidden, cell

class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, output_dim, emb_dim, hid_dim, n_layers, dropout):
        super().__init__()

        self.output_dim = output_dim
        self.hid_dim = hid_dim
        self.n_layers = n_layers

        self.embedding = nn.Embedding(output_dim, emb_dim)

        self.rnn = nn.LSTM(emb_dim, hid_dim, n_layers, dropout=dropout)

        self.fc_out = nn.Linear(hid_dim, output_dim)

        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, input, hidden, cell):
        input = input.unsqueeze(0)

        embedded = self.dropout(self.embedding(input))

        output, (hidden, cell) = self.rnn(embedded, (hidden, cell))

        prediction = self.fc_out(output.squeeze(0))

        return prediction, hidden, cell

class Seq2Seq(nn.Module):
    def __init__(self, encoder, decoder, device):
        super().__init__()

        self.encoder = encoder
        self.decoder = decoder
        self.device = device

    def forward(self, src, trg, teacher_forcing_ratio=0.5):
        batch_size = trg.shape[1]
        trg_len = trg.shape[0]
        trg_vocab_size = self.decoder.output_dim

        outputs = torch.zeros(trg_len, batch_size, trg_vocab_size).to(self.device)

        hidden, cell = self.encoder(src)

        input = trg[0,:]

        for t in range(1, trg_len):
            output, hidden, cell = self.decoder(input, hidden, cell)
            outputs[t] = output
            teacher_force = random.random() < teacher_forcing_ratio
            top1 = output.argmax(1)
            input = trg[t] if teacher_force else top1

        return outputs

INPUT_DIM = len(SRC.vocab)
OUTPUT_DIM = len(TRG.vocab)
ENC_EMB_DIM = 256
DEC_EMB_DIM = 256
HID_DIM = 512
N_LAYERS = 2
ENC_DROPOUT = 0.5
DEC_DROPOUT = 0.5

enc = Encoder(INPUT_DIM, ENC_EMB_DIM, HID_DIM, N_LAYERS, ENC_DROPOUT)
dec = Decoder(OUTPUT_DIM, DEC_EMB_DIM, HID_DIM, N_LAYERS, DEC_DROPOUT)

model = Seq2Seq(enc, dec, device='cuda').to(device='cuda')
训练模型

现在,我们将定义损失函数和优化器,并训练我们的模型。

optimizer = optim.Adam(model.parameters())
TRG_PAD_IDX = TRG.vocab.stoi[TRG.pad_token]

def train(model, iterator, optimizer, criterion, clip):
    model.train()

    epoch_loss = 0

    for i, batch in enumerate(iterator):
        src = batch.src
        trg = batch.trg

        optimizer.zero_grad()

        output = model(src, trg)

        output = output[1:].view(-1, output.shape[-1])
        trg = trg[1:].view(-1)

        loss = criterion(output, trg)

        loss.backward()

        torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), clip)

        optimizer.step()

        epoch_loss += loss.item()

    return epoch_loss / len(iterator)

def evaluate(model, iterator, criterion):
    model.eval()

    epoch_loss = 0

    with torch.no_grad():
        for i, batch in enumerate(iterator):
            src = batch.src
            trg = batch.trg

            output = model(src, trg, 0)

            output = output[1:].view(-1, output.shape[-1])
            trg = trg[1:].view(-1)

            loss = criterion(output, trg)

            epoch_loss += loss.item()

    return epoch_loss / len(iterator)

def epoch_time(start_time, end_time):
    elapsed_time = end_time - start_time
    elapsed_mins = int(elapsed_time / 60)
    elapsed_secs = int(elapsed_time - (elapsed_mins * 60))
    return elapsed_mins, elapsed_secs

N_EPOCHS = 10
CLIP = 1

criterion = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=TRG_PAD_IDX)

for epoch in range(N_EPOCHS):
    start_time = time.time()

    train_loss = train(model, train_iterator, optimizer, criterion, CLIP)
    valid_loss = evaluate(model, valid_iterator, criterion)

    end_time = time.time()

    epoch_mins, epoch_secs = epoch_time(start_time, end_time)

    print(f'Epoch: {epoch+1:02} | Time: {epoch_mins}m {epoch_secs}s')
    print(f'\tTrain Loss: {train_loss:.3f} | Train PPL: {math.exp(train_loss):7.3f}')
    print(f'\t Val. Loss: {valid_loss:.3f} |  Val. PPL: {math.exp(valid_loss):7.3f}')

结论

本文展示了如何使用 PyTorch 来解决自然语言处理中的两个典型任务:文本分类和机器翻译。通过这些示例,可以看出 PyTorch 提供了强大的工具和支持,使开发者能够快速地实现和测试新的算法。无论是对于研究者还是工业界的开发者来说,掌握 PyTorch 在 NLP 中的应用都是非常有价值的。

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