动手学深度学习(十) NLP 语言模型与数据集

本文涉及的产品
NLP 自学习平台,3个模型定制额度 1个月
NLP自然语言处理_高级版,每接口累计50万次
NLP自然语言处理_基础版,每接口每天50万次
简介: 动手学深度学习(十) NLP 语言模型与数据集

语言模型


一段自然语言文本可以看作是一个离散时间序列,给定一个长度为的词的序列,语言模型的目标就是评估该序列是否合理,即计算该序列的概率:

本节我们介绍基于统计的语言模型,主要是元语法(-gram)。在后续内容中,我们将会介绍基于神经网络的语言模型。


语言模型


假设序列中的每个词是依次生成的,我们有

𝑃(𝑤1,𝑤2,…,𝑤𝑇)=∏𝑡=1𝑇𝑃(𝑤𝑡∣𝑤1,…,𝑤𝑡−1)=𝑃(𝑤1)𝑃(𝑤2∣𝑤1)⋯𝑃(𝑤𝑇∣𝑤1𝑤2⋯𝑤𝑇−1)

例如,一段含有4个词的文本序列的概率

语言模型的参数就是词的概率以及给定前几个词情况下的条件概率。设训练数据集为一个大型文本语料库,如维基百科的所有条目,词的概率可以通过该词在训练数据集中的相对词频来计算,例如,的概率可以计算为:

其中为语料库中以作为第一个词的文本的数量,为语料库中文本的总数量。

类似的,给定情况下,的条件概率可以计算为:

其中为语料库中以作为第一个词,作为第二个词的文本的数量。


n元语法


序列长度增加,计算和存储多个词共同出现的概率的复杂度会呈指数级增加。元语法通过马尔可夫假设简化模型,马尔科夫假设是指一个词的出现只与前面个词相关,即阶马尔可夫链(Markov chain of order ),如果,那么有。基于阶马尔可夫链,我们可以将语言模型改写为

以上也叫元语法(-grams),它是基于阶马尔可夫链的概率语言模型。例如,当时,含有4个词的文本序列的概率就可以改写为:

分别为1、2和3时,我们将其分别称作一元语法(unigram)、二元语法(bigram)和三元语法(trigram)。例如,长度为4的序列在一元语法、二元语法和三元语法中的概率分别为

较小时,元语法往往并不准确。例如,在一元语法中,由三个词组成的句子“你走先”和“你先走”的概率是一样的。然而,当较大时,元语法需要计算并存储大量的词频和多词相邻频率。


思考:元语法可能有哪些缺陷?

  1. 参数空间过大
  2. 数据稀疏


语言模型数据集


读取数据集

with open('/home/kesci/input/jaychou_lyrics4703/jaychou_lyrics.txt') as f:
    corpus_chars = f.read()
print(len(corpus_chars))
print(corpus_chars[: 40])
corpus_chars = corpus_chars.replace('\n', ' ').replace('\r', ' ')
corpus_chars = corpus_chars[: 10000]

63282
想要有直升机
想要和你飞到宇宙去
想要和你融化在一起
融化在宇宙里
我每天每天每


建立字符索引

idx_to_char = list(set(corpus_chars)) # 去重,得到索引到字符的映射
char_to_idx = {char: i for i, char in enumerate(idx_to_char)} # 字符到索引的映射
vocab_size = len(char_to_idx)
print(vocab_size)
corpus_indices = [char_to_idx[char] for char in corpus_chars]  # 将每个字符转化为索引,得到一个索引的序列
sample = corpus_indices[: 20]
print('chars:', ''.join([idx_to_char[idx] for idx in sample]))
print('indices:', sample)

1027
chars: 想要有直升机 想要和你飞到宇宙去 想要和
indices: [1022, 648, 1025, 366, 208, 792, 199, 1022, 648, 641, 607, 625, 26, 155, 130, 5, 199, 1022, 648, 641]


定义函数load_data_jay_lyrics,在后续章节中直接调用。

def load_data_jay_lyrics():
    with open('/home/kesci/input/jaychou_lyrics4703/jaychou_lyrics.txt') as f:
        corpus_chars = f.read()
    corpus_chars = corpus_chars.replace('\n', ' ').replace('\r', ' ')
    corpus_chars = corpus_chars[0:10000]
    idx_to_char = list(set(corpus_chars))
    char_to_idx = dict([(char, i) for i, char in enumerate(idx_to_char)])
    vocab_size = len(char_to_idx)
    corpus_indices = [char_to_idx[char] for char in corpus_chars]
    return corpus_indices, char_to_idx, idx_to_char, vocab_size


时序数据的采样


在训练中我们需要每次随机读取小批量样本和标签。与之前章节的实验数据不同的是,时序数据的一个样本通常包含连续的字符。假设时间步数为5,样本序列为5个字符,即“想”“要”“有”“直”“升”。该样本的标签序列为这些字符分别在训练集中的下一个字符,即“要”“有”“直”“升”“机”,即=“想要有直升”,=“要有直升机”。


现在我们考虑序列“想要有直升机,想要和你飞到宇宙去”,如果时间步数为5,有以下可能的样本和标签:


  • :“想要有直升”,:“要有直升机”
  • :“要有直升机”,:“有直升机,”
  • :“有直升机,”,:“直升机,想”
  • ...
  • :“要和你飞到”,:“和你飞到宇”
  • :“和你飞到宇”,:“你飞到宇宙”
  • :“你飞到宇宙”,:“飞到宇宙去”


可以看到,如果序列的长度为,时间步数为,那么一共有个合法的样本,但是这些样本有大量的重合,我们通常采用更加高效的采样方式。我们有两种方式对时序数据进行采样,分别是随机采样和相邻采样。


随机采样


下面的代码每次从数据里随机采样一个小批量。其中批量大小batch_size是每个小批量的样本数,num_steps是每个样本所包含的时间步数。

在随机采样中,每个样本是原始序列上任意截取的一段序列,相邻的两个随机小批量在原始序列上的位置不一定相毗邻。

import torch
import random
def data_iter_random(corpus_indices, batch_size, num_steps, device=None):
    # 减1是因为对于长度为n的序列,X最多只有包含其中的前n - 1个字符
    num_examples = (len(corpus_indices) - 1) // num_steps  # 下取整,得到不重叠情况下的样本个数
    example_indices = [i * num_steps for i in range(num_examples)]  # 每个样本的第一个字符在corpus_indices中的下标
    random.shuffle(example_indices)
    def _data(i):
        # 返回从i开始的长为num_steps的序列
        return corpus_indices[i: i + num_steps]
    if device is None:
        device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
    for i in range(0, num_examples, batch_size):
        # 每次选出batch_size个随机样本
        batch_indices = example_indices[i: i + batch_size]  # 当前batch的各个样本的首字符的下标
        X = [_data(j) for j in batch_indices]
        Y = [_data(j + 1) for j in batch_indices]
        yield torch.tensor(X, device=device), torch.tensor(Y, device=device)


测试一下这个函数,我们输入从0到29的连续整数作为一个人工序列,设批量大小和时间步数分别为2和6,打印随机采样每次读取的小批量样本的输入X和标签Y

my_seq = list(range(30))
for X, Y in data_iter_random(my_seq, batch_size=2, num_steps=6):
    print('X: ', X, '\nY:', Y, '\n')

X:  tensor([[ 6,  7,  8,  9, 10, 11],
        [12, 13, 14, 15, 16, 17]]) 
Y: tensor([[ 7,  8,  9, 10, 11, 12],
        [13, 14, 15, 16, 17, 18]]) 
X:  tensor([[ 0,  1,  2,  3,  4,  5],
        [18, 19, 20, 21, 22, 23]]) 
Y: tensor([[ 1,  2,  3,  4,  5,  6],
        [19, 20, 21, 22, 23, 24]])


相邻采样


在相邻采样中,相邻的两个随机小批量在原始序列上的位置相毗邻。

def data_iter_consecutive(corpus_indices, batch_size, num_steps, device=None):
    if device is None:
        device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
    corpus_len = len(corpus_indices) // batch_size * batch_size  # 保留下来的序列的长度
    corpus_indices = corpus_indices[: corpus_len]  # 仅保留前corpus_len个字符
    indices = torch.tensor(corpus_indices, device=device)
    indices = indices.view(batch_size, -1)  # resize成(batch_size, )
    batch_num = (indices.shape[1] - 1) // num_steps
    for i in range(batch_num):
        i = i * num_steps
        X = indices[:, i: i + num_steps]
        Y = indices[:, i + 1: i + num_steps + 1]
        yield X, Y


同样的设置下,打印相邻采样每次读取的小批量样本的输入X和标签Y。相邻的两个随机小批量在原始序列上的位置相毗邻。

for X, Y in data_iter_consecutive(my_seq, batch_size=2, num_steps=6):
    print('X: ', X, '\nY:', Y, '\n')

X:  tensor([[ 0,  1,  2,  3,  4,  5],
        [15, 16, 17, 18, 19, 20]]) 
Y: tensor([[ 1,  2,  3,  4,  5,  6],
        [16, 17, 18, 19, 20, 21]]) 
X:  tensor([[ 6,  7,  8,  9, 10, 11],
        [21, 22, 23, 24, 25, 26]]) 
Y: tensor([[ 7,  8,  9, 10, 11, 12],
        [22, 23, 24, 25, 26, 27]])


相关文章
|
2月前
|
机器学习/深度学习 存储 自然语言处理
【NLP自然语言处理】探索注意力机制:解锁深度学习的语言理解新篇章(上)
【NLP自然语言处理】探索注意力机制:解锁深度学习的语言理解新篇章(上)
|
5月前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 语音技术
深度学习在自然语言处理中的应用与挑战
随着人工智能技术的飞速发展,深度学习已经成为自然语言处理领域的核心技术之一。本文将深入探讨深度学习在自然语言处理中的应用,包括语音识别、语义理解、机器翻译等方面,并分析当前面临的主要挑战,如数据获取困难、模型泛化能力不足等。通过实例和数据分析,我们旨在揭示深度学习技术在推动自然语言处理领域发展的同时,如何应对这些挑战以实现更广泛的应用。
72 0
|
2月前
|
机器学习/深度学习 存储 自然语言处理
【NLP自然语言处理】探索注意力机制:解锁深度学习的语言理解新篇章(下)
【NLP自然语言处理】探索注意力机制:解锁深度学习的语言理解新篇章(下)
【NLP自然语言处理】探索注意力机制:解锁深度学习的语言理解新篇章(下)
|
2月前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 异构计算
【NLP自然语言处理】初识深度学习模型Transformer
【NLP自然语言处理】初识深度学习模型Transformer
|
2月前
|
机器学习/深度学习 数据采集 自然语言处理
【NLP自然语言处理】基于PyTorch深度学习框架构建RNN经典案例:构建人名分类器
【NLP自然语言处理】基于PyTorch深度学习框架构建RNN经典案例:构建人名分类器
|
3月前
|
机器学习/深度学习 数据采集 数据可视化
深度学习实践:构建并训练卷积神经网络(CNN)对CIFAR-10数据集进行分类
本文详细介绍如何使用PyTorch构建并训练卷积神经网络(CNN)对CIFAR-10数据集进行图像分类。从数据预处理、模型定义到训练过程及结果可视化,文章全面展示了深度学习项目的全流程。通过实际操作,读者可以深入了解CNN在图像分类任务中的应用,并掌握PyTorch的基本使用方法。希望本文为您的深度学习项目提供有价值的参考与启示。
|
3月前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 搜索推荐
探索深度学习与自然语言处理(NLP)在智能客服系统中的创新应用
探索深度学习与自然语言处理(NLP)在智能客服系统中的创新应用
287 0
|
4月前
|
机器学习/深度学习 JavaScript 前端开发
深度学习必备:对数据集的拆分、根据拆分图片拆分labels、对全部标注标签进行区间检查
使用JavaScript代码或浏览器扩展可以一次性在浏览器中打开多个相同的标签页。
|
4月前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 数据处理
|
4月前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 数据挖掘
【NLP】深度学习的NLP文本分类常用模型
本文详细介绍了几种常用的深度学习文本分类模型,包括FastText、TextCNN、DPCNN、TextRCNN、TextBiLSTM+Attention、HAN和Bert,并提供了相关论文和不同框架下的实现源码链接。同时,还讨论了模型的优缺点、适用场景以及一些优化策略。
158 1