吴恩达深度学习课程五：自然语言处理 第一周：循环神经网络 （三）语言模型

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本篇为第五课的第一周内容，1.5到1.7的内容。
本周为第五课的第一周内容，与 CV 相对应的，这一课所有内容的中心只有一个：自然语言处理（Natural Language Processing，NLP）。
应用在深度学习里，它是专门用来进行文本与序列信息建模的模型和技术，本质上是在全连接网络与统计语言模型基础上的一次“结构化特化”，也是人工智能中最贴近人类思维表达方式的重要研究方向之一。
这一整节课同样涉及大量需要反复消化的内容，横跨机器学习、概率统计、线性代数以及语言学直觉。
语言不像图像那样“直观可见”，更多是抽象符号与上下文关系的组合，因此理解门槛反而更高。
因此，我同样会尽量补足必要的背景知识，尽可能用比喻和实例降低理解难度。
本篇的内容关于语言模型，是在了解 RNN 原理上的进一步应用。
1. 不同类型的 RNN

我们在上一篇中用命名实体识别作为示例来演示 RNN 的基本原理，但我们也提到了：
模型输入序列的长度 \(T_x\) 和输出序列的长度 \(T_y\) 并不都是相等的。而二者的对应关系不同，往往就代表了不同的任务类型。
因此，我们以 \(T_x\) 和 \(T_y\) 的不同对应关系，划分了不同类型的 RNN，常见情况可以概括为以下几类：

• 一对一（One-to-One）
  
• 多对一（Many-to-One）
  
• 一对多（One-to-Many）
  
• 多对多（Many-to-Many，等长）
  
• 多对多（Many-to-Many，非等长）
  

现在，来逐个简单展开一下：

现在，我们就知道了：如果我们要完成之前用来演示的命名实体识别任务，那一般需要构建等长的多对多 RNN 模型。
而语言模型，同样也是一种等长的多对多 RNN 模型，由此，我们正式开始引入语言模型。
2.语言模型（Language Model, LM）

先摆一下语言模型较为官方的定义：

语言模型是一种用于刻画自然语言中词（或字符）序列概率分布的模型。其核心目标是：对一个序列中下一个符号出现的可能性进行建模，即在已知前文的条件下，预测当前或下一时刻的词。

而通俗点来说，语言模型所实现的功能是：猜你输入的下一个字更可能是什么。
比如输入“我爱”时，它可以预测到下一个字更可能是“你”，而在输入“我爱你”时，模型会预测一个表示句子结束的特殊符号的概率较高。
显然，问题来了：什么样的训练逻辑可以得到拥有这种预测功能的语言模型呢？
先给出一个较简洁的结论，然后我们来进行演示：在每一个时间步 \(t\)，把前 \(t-1\) 个词作为输入，让模型去预测第 \(t\) 个词，计算损失，不断优化参数，实现学习。
来看看它的具体运行过程：
2.1 语言模型的数据准备

在这里，你可能会有这样一个问题：我们定义了一个控制信号  来表示序列的终止，但是在语言直觉上，句号本身不就是终止的意思吗？能不能直接用句号来代表终止信号？
答案当然是不能的，使用并非是多此一举，不能使用句号本身直接代替的的原因可以简单概括为一句话：语言结束并不代表序列结束。
来看这样几个例子：
语言句子示例说明为什么句号不能直接代表 中文我真的爱你。我真的饿了。句子中包含多个子句。第一个句号是子句结束，句号是语法结束，但整个序列可能还没结束，无法作为统一序列终止信号。中文他爱你吗？句子中没有句号。不使用句号也可以代表结束。英文“Dr. Smith works at St. Mary’s Hospital.”英文中缩写、专有名词中包含句点。句点不一定表示句子或序列结束，例如缩写中的“Dr.”，如果直接用句号作为 ，会误判序列结束。从这些例子来看， 并不是语言符号，而是模型训练与生成过程中必不可少的控制信号。
因此，你会发现：我们需要一个明确不歧义，在各语言中统一且唯一的控制信号来代表序列的结束，这就是  。
在完成了数据准备之后，我们就正式来看看语言模型的传播逻辑。
2.2 语言模型的传播过程

回忆我们最开始简述的正向传播逻辑：在每一个时间步 \(t\)，把前 \(t-1\) 个词作为输入，让模型去预测第 \(t\) 个词。
现在就来先展开看看语言模型的正常传播过程：

用语言模型的正向传播过程并不复杂，但要真正明白它的学习逻辑，自然还离不开它的反向传播，而一个需要再次强调的就是：模型每一步的输出是一个概率分布，也就是“可能性”。
带着这一点，我们来看看反向传播的过程：

仍然是反向传播不变的基本逻辑：计算损失，计算梯度，更新参数，实现学习。
我们在上一篇中也展开了 RNN 具体的反向传播逻辑，这里就不再多提了。
至此，我们已经从训练视角理解了语言模型是如何学习到序列建模能力的。
在模型训练完成之后，如何利用这个语言模型真正生成新的文本序列，就成为接下来需要回答的问题，其中相关的一门技术叫做新序列采样。
3.新序列采样

当我们拥有一个训练好的语言模型时，有时我们会想具体地看看这个模型都学到了什么，它的“文风”是什么样的，其中一种方法就是新序列采样。
这个概念同样不难理解：

新序列采样，指的是：在语言模型生成文本时，不再固定选择概率最大的 token，而是根据模型给出的概率分布，从中 “抽样”生成下一个 token，从而逐步生成一整段新序列的过程。

再通俗一点：新序列采样不是“选最可能的那个”，而是“按可能性来抽一个”，让模型生成更自然、多样的文本。
它的具体过程是这样的：

再复述一下这个过程：
给定一个已训练好的语言模型，在生成阶段，模型以起始符号作为输入，在每个时间步根据当前上下文输出一个 token 的概率分布，并通过采样策略选取下一个 token，将其作为下一步输入，直到生成  或达到设定长度为止。
而在实际应用中，常见的新序列采样策略包括：

• 随机采样（Sampling）
  
• Top-k 采样：只在概率最高的 \(k\) 个 token 中采样。
  
• Top-p（Nucleus）采样：在累计概率达到 \(p\) 的最小 token 集合中采样。
  

这样，我们便可以较直观地观察模型在语言层面所学习到的统计规律与生成偏好。
在具体部署中合理使用新序列采样策略，也可以在保证基本语言合理性的前提下，提高生成文本的多样性。
最后，吴恩达老师还提及了基于字符的语言模型。这类模型不再以词或子词作为基本单位，而是直接以字符序列作为输入与预测对象，如字母、空格及标点符号等。
字符级建模的优势在于不依赖分词规则、天然不存在未登录词问题，但代价也十分明显：单个字符所携带的语义信息极弱，序列长度显著变长，模型需要先“学会拼词”，再学习句法与语义结构，训练难度和计算成本都更高。
因此，这种模型在实际部署中的价值并不高，实际上也并不流行，我们就不再展开了。
4. 总结

[table][tr]概念原理比喻[/tr][tr][td]不同类型的 RNN[/td][td]根据输入序列长度 \(T_x\) 与输出序列长度 \(T_y\) 的对应关系，RNN 可适配不同任务结构，如分类、序列标注、生成等[/td][td]不同规格的传送带：有的只收一件吐一件，有的收一排给一个结果[/td][/tr][tr][td]语言模型（LM）[/td][td]建模序列的条件概率分布 \(P(w_t \mid w_{