斯坦福NLP课程 | 第10讲 - NLP中的问答系统

作者：韩信子@ShowMeAI，路遥@ShowMeAI，奇异果@ShowMeAI
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ShowMeAI为斯坦福CS224n《自然语言处理与深度学习(Natural Language Processing with Deep Learning)》课程的全部课件，做了中文翻译和注释，并制作成了GIF动图！

本讲内容的深度总结教程可以在这里 查看。视频和课件等资料的获取方式见文末。

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引言

授课计划

• Final final project notes, etc. / 最终大项目要点
• Motivation/History / 问答系统动机与历史
• The SQuADdataset / SQuAD问答数据集
• The Stanford Attentive Reader model / 斯坦福注意力阅读模型
• BiDAF / BiDAF模型
• Recent, more advanced architectures / 近期前沿模型
• ELMo and BERT preview / ELMo与BERT预习与简单介绍

1.最终大项目要点

1.1 自定义Final Project

1.2 默认Final Project

1.3 Project 提交

1.4 项目顺利

1.5 谁是澳大利亚第三任总理

• 在谷歌中检索谁是澳大利亚第三任总理，可以获得答案。

• 技术说明：这是从web页面中提取的 特性片段 回答，而不是使用 (结构化的) 谷歌知识图 (以前称为Freebase) 回答的问题。
• 我们今天要谈论的就是这样的问题，而不是基于结构化数据存储的问答。

2.问答系统动机与历史

2.1 动机：问答

• 拥有大量的全文文档集合，例如网络，简单地返回相关文档的作用是有限的
• 相反，我们经常想要得到问题的答案
• 尤其是在移动设备上
• 或使用像Alexa、Google assistant这样的数字助理设备

我们可以把它分解成两部分：

• 1.查找 (可能) 包含答案的文档

  • 可以通过传统的信息检索/web搜索处理
  • (下个季度我将讲授cs276，它将处理这个问题)

• 2.在一段或一份文件中找到答案

  • 这个问题通常被称为阅读理解
  • 这就是我们今天要关注的

2.2 阅读理解简史

• 许多早期的NLP工作尝试阅读理解

  • Schank, Abelson, Lehnert et al. c. 1977 – Yale A.I. Project

• 由Lynette Hirschman在1999年重提

  • NLP系统能回答三至六年级学生的人类阅读理解问题吗?简单的方法尝试

• Chris Burges于2013年通过 MCTest 又重新复活 RC

  • 再次通过简单的故事文本回答问题

• 2015/16年，随着大型数据集的产生，闸门开启，可以建立监督神经系统

  • Hermann et al. (NIPS 2015) DeepMind CNN/DM dataset
  • Rajpurkaret al. (EMNLP 2016) SQuAD
  • MS MARCO, TriviaQA, RACE, NewsQA, NarrativeQA, …

2.3 机器理解(Burges 2013)

一台机器能够理解文本的段落，对于大多数母语使用者能够正确回答的关于文本的任何问题，该机器都能提供一个字符串，这些说话者既能回答该问题，又不会包含与该问题无关的信息。

2.4 MCTest 阅读理解

• P：Passage，文章
• Q：Question，问题
• A：Answer，答案

2.5 开放领域问答的简史

• Simmons et al. (1964) 首先探索了如何基于匹配问题和答案的依赖关系解析，从说明性文本中回答问题
• Murax (Kupiec1993) 旨在使用IR和浅层语言处理在在线百科全书上回答问题
• NIST TREC QA track 始于 1999 年，首次严格调查了对大量文档的事实问题的回答
• IBM的冒险！System (DeepQA, 2011)提出了一个版本的问题;它使用了许多方法的集合
• DrQA (Chen et al. 2016) 采用 IR 结合神经阅读理解，将深度学习引入开放领域的 QA

2.6 千年之交的完整 NLP 问答

• 复杂的系统，但他们在 事实 问题上做得相当好

补充讲解

• 非常复杂的多模块多组件的系统

  • 首先对问题进行解析，使用手写的语义规范化规则，将其转化为更好的语义形式
  • 在通过问题类型分类器，找出问题在寻找的语义类型
  • 信息检索系统找到可能包含答案的段落，排序后进行选择
  • NER识别候选实体再进行判断
• 这样的QA系统在特定领域很有效：Factoid Question Answering 针对实体的问答

3.SQuAD问答数据集

3.1 斯坦福问答数据集 (SQuAD)

• Passage 是来自维基百科的一段文本，系统需要回答问题，在文章中找出答案

• 个样本
• 答案必须是文章中的一系列单词序列
• 也就是提取式问答

3.2 SQuAD 评估，v1.1

• 作者收集了3个参考答案

• 系统在两个指标上计算得分

  • 精确匹配：1/0的准确度，你是否匹配三个答案中的一个
  • F1：将系统和每个答案都视为词袋，并评估

• Precision 和 Recall 的调和平均值
• 分数是 (宏观) 平均每题 F1分数

• F1测量被视为更可靠的指标，作为主要指标使用

  • 它不是基于选择是否和人类选择的跨度完全相同，人类选择的跨度容易受到各种影响，包括换行
  • 在单次级别匹配不同的答案
• 这两个指标忽视标点符号和冠词 (a, an, the only)

3.3 SQuAD 2.0

• SQuAD1.0 的一个缺陷是，段落中所有问题都有答案
• 系统 (隐式地) 排名候选答案并选择最好的一个，这就变成了一种排名任务
• 你不必判断一个段落区间是否回答了这个问题

• SQuAD2.0 中 的训练问题没有回答，大约 的开发/测试问题没有回答

  • 对于No Answer examples，no answer 获得的得分为 ，对于精确匹配和 F1，任何其他响应的得分都为

• SQuAD2.0 最简单的系统方法

  • 对于一个 span 是否回答了一个问题有一个阈值评分

• 或者你可以有第二个确认回答的组件

  • 类似 自然语言推理 或者 答案验证

3.4 得分高的系统并不能真正理解人类语言

• 系统没有真正了解一切，仍然在做一种匹配问题

3.5 SQuAD 局限

• SQuAD 也有其他一些关键限制

  • 只有 span-based 答案 (没有 yes / no，计数，隐式的为什么)

  • 问题是看着段落构造的

    • 通常不是真正的信息需求
    • 一般来说，问题和答案之间的词汇和句法匹配比IRL更大
  • 问题与文章高度重叠，无论是单词还是句法结构
  • 除了共同参照，几乎没有任何多事实/句子推理

• 不过这是一个目标明确，结构良好的干净的数据集

  • 它一直是 QA dataset 上最常用和最具竞争力的数据集
  • 它也是构建行业系统的一个有用的起点 (尽管域内数据总是很有帮助！)
  • 并且我们正在使用它

3.6 Stanford Attentive Reader

• 展示了一个最小的，非常成功的阅读理解和问题回答架构
• 后来被称为 the Stanford Attentive Reader

• 首先将问题用向量表示

  • 对问题中的每个单词，查找其词嵌入
  • 输入到双向 LSTM 中并将最终的 hidden state 拼接

• 再处理文章

  • 查找每个单词的词嵌入并输入到双向 LSTM 中

• 使用双线性注意力，将每个LSTM的表示 (LSTM的两个隐藏状态的连接) 与问题表示做运算，获得了不同位置的注意力，从而获得答案的开始位置，再以同样方式获得答案的结束位置
• 为了在文章中找到答案，使用问题的向量表示，来解决答案在什么位置使用注意力

3.7 SQuAD v1.1 结果

4.斯坦福注意力阅读模型

4.1 Stanford Attentive Reader++

• 整个模型的所有参数都是端到端训练的，训练的目标是开始位置与结束为止的准确度，优化有两种方式

• 问题部分

  • 不止是利用最终的隐藏层状态，而是使用所有隐层状态的加权和
  • 使用一个可学习的向量 与每个时间步的隐层状态相乘
  • 深层 LSTM

• 文章中每个token的向量表示 由一下部分连接而成
• 词嵌入 (GloVe 300 维)
• 词的语言特点：POS &NER 标签，one-hot 向量
• 词频率 (unigram 概率)

• 精确匹配：这个词是否出现在问题

  • 三个二进制的特征： exact, uncased, lemma
• 对齐问题嵌入 ( 车 与 汽车 )

4.2 神经模型的突出效果

4.3 这些神经模型做什么？

5.BiDAF模型

5.1 #论文解读# BiDAF

5.2 BiDAF

• 多年来，BiDAF architecture有许多变体和改进，但其核心思想是 the Attention Flow layer
• 思路：attention 应该双向流动——从上下文到问题，从问题到上下文

• 令相似矩阵 ( 的维数为 )

• Context-to-Question (C2Q) 注意力 (哪些查询词与每个上下文词最相关)

• Question-to-Context (Q2C) 注意力 (上下文中最重要的单词相对于查询的加权和——通过 max 略有不对称)

• 通过 max 取得上下文中的每个单词对于问题的相关度

• 对于文章中的每个位置，BiDAF layer 的输出为

• 然后有 modelling 层

  • 文章通过另一个深 (双层) BiLSTM

• 然后回答跨度选择更为复杂

  • Start：通过 BiDAF 和 modelling 的输出层连接到一个密集的全连接层然后 softmax
  • End：把 modelling 的输出 通过另一个BiLSTM得到 ，然后再与 BiDAF layer 连接，并通过密集的全连接层和 softmax

6.近期前沿模型

6.1 最新的、更高级的体系结构

• 2016年、2017年和2018年的大部分工作都采用了越来越复杂的架构，其中包含了多种注意力变体——通常可以获得很好的任务收益
• 人们一直在尝试不同的 Attention

6.2 #论文解读# Dynamic CoattentionNetworks for Question Answering

（本网络频繁使用到LSTM/GRU结构，具体的RNN细节讲解可以查看ShowMeAI的对吴恩达老师课程的总结文章深度学习教程 | 序列模型与RNN网络，也可以查看本系列的前序文章NLP教程(5) - 语言模型、RNN、GRU与LSTM）

• 缺陷：问题具有独立于输入的表示形式
• 一个全面的QA模型需要相互依赖

6.3 Coattention Encoder

6.4 Coattention layer

• Coattention layer 再次提供了一个上下文之间的双向关注问题

• 然而，coattention 包括两级注意力计算：

  • 关注那些本身就是注意力输出的表象
• 我们使用C2Q注意力分布 ，求得Q2C注意力输出 的加权和。这给了我们第二级注意力输出

6.5 Co-attention ： SQUAD 比赛结果

https://rajpurkar.github.io/SQuAD-explorer/

6.6 #论文解读# FusionNet

注意力机制

• MLP (Additive) 形式

• 空间复杂度：, W is kxd - Bilinear (Product) form

• 空间复杂度：
• 更小的空间消耗
• 非线性表达能力

6.7 FusionNet试图将多种形式的注意力结合起来

6.8 多层次的inter-attention

• 经过多层次的 inter-attention，使用 RNN、self-attention 和另一个 RNN 得到上下文的最终表示

6.9 最近、更先进的结构

• 2016年、2017年和2018年的大部分工作都采用了越来越复杂的体系结构，这些体系结构具有多种不同的关注方式，通常可以获得很好的任务收益

7.ELMo与BERT预习与简单介绍

7.1 ELMO and BERT 预习

7.2 SQUAD 2.0 排行榜，2019-02-07

7.3 #论文解读

7.4 #论文解读# Documen Retriever

7.5 #论文解读# DrQA Demo

7.6 #论文解读# 一般性问题

8.视频教程

可以点击 B站 查看视频的【双语字幕】版本

9.参考资料

• 本讲带学的在线阅翻页本
• 《斯坦福CS224n深度学习与自然语言处理》课程学习指南
• 《斯坦福CS224n深度学习与自然语言处理》课程大作业解析
• 【双语字幕视频】斯坦福CS224n | 深度学习与自然语言处理(2019·全20讲)
• Stanford官网 | CS224n: Natural Language Processing with Deep Learning

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