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Chapter11/Figures/figure-use-cnn-in-sentence-classification.tex
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\tikzstyle{cir} = [thin,fill=blue!8,draw,circle,minimum size =0.5em,drop shadow={shadow xshift=0.15em, shadow yshift=-0.1em}]
\tikzstyle{word} = [inner sep=0pt, font=\footnotesize,minimum height=\bcc]
\draw[fill=blue!8,xshift=0.3cm,yshift=0.5cm,line width=0.6pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
\draw[ugreen!60,step=\bcc,xshift=0.3cm,yshift=0.5cm,gray] (0cm,0cm) grid (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
%\draw[line width=0.7pt,xshift=0.3cm,yshift=0.5cm] (0cm,0cm) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
\draw[red!60,line width=2pt,xshift=0.3cm,yshift=0.5cm] (0cm,0cm+2*\bcc) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+4*\bcc);
%\draw[fill=blue!8,xshift=0.3cm,yshift=0.5cm,line width=0.6pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
%\draw[ugreen!60,step=\bcc,xshift=0.3cm,yshift=0.5cm,gray] (0cm,0cm) grid (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
%\draw[red!60,line width=2pt,xshift=0.3cm,yshift=0.5cm] (0cm,0cm+2*\bcc) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+4*\bcc);
% 输入矩阵
\draw[thick,fill=blue!8,line width=0.6pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
\draw[step=\bcc,gray] (0cm,0cm) grid (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
%\draw[line width=0.7pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
\draw[red!60,line width=2pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+2*\bcc);
\draw[ugreen!60,line width=2pt] (0cm,0cm+3*\bcc) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+6*\bcc);
\draw[red!60,line width=2pt] (0cm,0cm+7*\bcc) rectangle (0cm+6*\bcc,0cm+9*\bcc);
% 特征图
\draw[fill=blue!8,xshift=5.0cm,yshift=1.3cm,line width=0.6pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+6*\bcc);
\draw[step=\bcc,gray,xshift=5.0cm,yshift=1.3cm] (0cm,0cm) grid (0cm+1*\bcc,0cm+6*\bcc);
%\draw[xshift=5.0cm,yshift=1.3cm,line width=0.7pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+6*\bcc);
\draw[ugreen!60,line width=2pt,xshift=5.0cm,yshift=1.3cm] (0cm,0cm+2*\bcc) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+3*\bcc);
\draw [gray,fill=blue!8,line width=0.6pt](8cm,2.6cm) -- (8.4cm, 2.6cm) -- (9cm,1cm) -- (8.6cm, 1cm) -- (8cm,2.6cm);
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\draw[fill=blue!8,xshift=5.2cm,yshift=1.0cm,line width=0.6pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+6*\bcc);
\draw[step=\bcc,gray,xshift=5.2cm,yshift=1.0cm] (0cm,0cm) grid (0cm+1*\bcc,0cm+6*\bcc);
%\draw[line width=0.7pt,xshift=5.2cm,yshift=1.0cm] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+6*\bcc);
\draw[fill=blue!8,xshift=5.4cm,yshift=0.3cm,line width=0.6pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+7*\bcc);
\draw[step=\bcc,gray,xshift=5.4cm,yshift=0.3cm] (0cm,0cm) grid (0cm+1*\bcc,0cm+7*\bcc);
%\draw[line width=0.7pt,xshift=5.4cm,yshift=0.3cm] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+7*\bcc);
\draw[fill=blue!8,xshift=5.6cm,yshift=0cm,line width=0.6pt] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+7*\bcc);
\draw[step=\bcc,gray,xshift=5.6cm,yshift=0cm] (0cm,0cm) grid (0cm+1*\bcc,0cm+7*\bcc);
%\draw[line width=0.7pt,xshift=5.6cm,yshift=0cm] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+7*\bcc);
\draw[red!60,line width=2pt,xshift=5.6cm,yshift=0cm] (0cm,0cm) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+1*\bcc);
\draw[red!60,line width=2pt,xshift=5.6cm,yshift=0cm] (0cm,0cm+2*\bcc) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+3*\bcc);
\draw[red!60,line width=2pt,xshift=5.6cm,yshift=0cm] (0cm,0cm+6*\bcc) rectangle (0cm+1*\bcc,0cm+7*\bcc);
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\node[draw,rectangle callout,callout relative pointer={(0.28,-0.6)}] at (-0.3cm,4.6cm) {\textrm{卷积核}};
\node[draw,rectangle callout,callout relative pointer={(0.1,-0.5)}] at (5cm,4.6cm) {\textrm{特征图}};
%\draw [thick] (0cm, -0.3cm) -- (0cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{$m \times k$ representation of \\ sentence with static and \\ non-static channels} (2.4cm,-0.5cm) -- (2.4cm, -0.3cm);
%\draw [thick] (3.6cm, -0.3cm) -- (3.6cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{Convolutional layer with \\ multiple filter widths and \\ feature maps} (6cm,-0.5cm) -- (6cm, -0.3cm);
%\draw [thick] (7.2cm, -0.3cm) -- (7.2cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{Max-over-time\\ pooling} (9cm,-0.5cm) -- (9cm, -0.3cm);
%\draw [thick] (10cm, -0.3cm) -- (10cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{Fully connected layer \\ with dropout and \\ softmax output} (11.7cm,-0.5cm) -- (11.7cm, -0.3cm);
\draw [thick] (0cm, -0.3cm) -- (0cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{维度大小为 $m \times K$ \\ 的静态与非静态通道\\的句子表示} (2.4cm,-0.5cm) -- (2.4cm, -0.3cm);
\draw [thick] (3.6cm, -0.3cm) -- (3.6cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{具有多个不同大小\\的卷积核和特征图\\的卷积层} (6cm,-0.5cm) -- (6cm, -0.3cm);
\draw [thick] (7.2cm, -0.3cm) -- (7.2cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{最大池化} (9cm,-0.5cm) -- (9cm, -0.3cm);
\draw [thick] (10cm, -0.3cm) -- (10cm, -0.5cm) -- node[font=\tiny, align=center,yshift=-0.5cm]{带有Dropout\\和Softmax输出\\的全连接层} (11.7cm,-0.5cm) -- (11.7cm, -0.3cm);
%\node [font=\Large] at (5.2cm,-2cm){$h_i = dot(F,x_{i:i+l-1})+b$};
\end{scope}
......
Chapter11/chapter11.tex
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\parinterval 针对不定长序列，一种可行的方法是使用之前介绍过的循环神经网络，其本质也是基于权重共享的想法，在不同的时间步复用相同的循环神经网络单元进行处理。但是，循环神经网络最大的弊端在于每一时刻的计算都依赖于上一时刻的结果，因此只能对序列进行串行处理，无法充分利用硬件设备进行并行计算，导致效率相对较低。此外，在处理较长的序列时，这种串行的方式很难捕捉长距离的依赖关系。相比之下，卷积神经网络采用共享参数的方式处理固定大小窗口内的信息，且不同位置的卷积操作之间没有相互依赖，因此可以对序列进行高效地并行处理。同时，针对序列中距离较长的依赖关系，可以通过堆叠多层卷积层来扩大{\small\bfnew{感受野}}\index{感受野} (Receptive Field)\index{Receptive Field} ，这里感受野指能够影响神经元输出的原始输入数据区域的大小。图\ref{fig:11-9}对比了这两种结构，可以看出，为了捕捉$\mathbi{e}_2$ 和$\mathbi{e}_8$ 之间的联系，串行结构需要顺序的6次操作，和序列长度相关。而该卷积神经网络中，卷积操作每次对三个词进行计算，仅需要4层卷积计算就能得到$\mathbi{e}_2$ 和$\mathbi{e}_8$之间的联系，其操作数和卷积核的大小相关，相比于串行的方式具有更短的路径和更少的非线性计算，更容易进行训练。因此，也有许多研究人员在许多自然语言处理任务上尝试使用卷积神经网络进行序列建模\upcite{Kim2014ConvolutionalNN,Santos2014DeepCN,Kalchbrenner2014ACN,DBLP:conf/naacl/Johnson015,DBLP:conf/naacl/NguyenG15}。
\parinterval 区别于传统图像上的卷积操作，在面向序列的卷积操作中，卷积核只在序列这一维度进行移动，用来捕捉多连续词之间的特征。需要注意的是，由于单词通常由一个实数向量表示（词嵌入），因此可以将词嵌入的维度看作是卷积操作中的通道数。图\ref{fig:11-10}就是一个基于序列卷积的文本分类模型，模型的输入是维度大小为$m\times K$的静态与非静态通道的句子表示，其中静态通道的句子表示在整个训练过程中保持不变，动态通道的句子表示通过反向传播进行微调。模型使用多个不同（对应图中不同的颜色）的卷积核来对序列进行特征提取，得到了多个不同的特征序列。然后使用池化层降低表示维度，得到了一组和序列长度无关的特征表示。基于这组压缩过的特征表示，模型再通过全连接网络和Softmax函数作为相应类别的预测。在这其中卷积层和池化层分别起到了特征提取和状态压缩的作用，将一个不定长的序列转化到一组固定大小的特征表示。
\parinterval 区别于传统图像上的卷积操作，在面向序列的卷积操作中，卷积核只在序列这一维度进行移动，用来捕捉多连续词之间的特征。需要注意的是，由于单词通常由一个实数向量表示（词嵌入），{\red 因此可以将词嵌入的维度看作是卷积操作中的通道数}。图\ref{fig:11-10}就是一个基于序列卷积的文本分类模型，模型的输入是维度大小为$m\times K \times 2$的句子表示，其中2是输入矩阵的通道数，该模型令其中一个通道的矩阵为静态，另一个为动态，其静态通道的句子表示在整个训练过程中保持不变，动态通道的句子表示通过反向传播进行微调。模型使用多个不同（对应图中不同的颜色）的卷积核来对序列进行特征提取，得到了多个不同的特征序列。然后使用池化层降低表示维度，得到了一组和序列长度无关的特征表示。基于这组压缩过的特征表示，模型再通过全连接网络和Softmax函数作为相应类别的预测。在这其中卷积层和池化层分别起到了特征提取和状态压缩的作用，将一个不定长的序列转化到一组固定大小的特征表示。
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% 图10.
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\section{基于卷积神经网络的机器翻译模型}
\parinterval 正如之前所讲，卷积神经网络可以用于序列建模，同时具有并行性高和易于学习的特点，一个很自然的想法就是将其用作神经机器翻译模型中的特征提取器。因此，在神经机器翻译被提出之初，研究人员就已经开始利用卷积神经网络对句子进行表示。比较经典的模型是使用卷积神经网络作为源语言句子的编码器，使用循环神经网络作为目标语译文生成的解码器\upcite{kalchbrenner-blunsom-2013-recurrent,Gehring2017ACE}。之后也有研究人员提出完全基于卷积神经网络的翻译模型（ConvS2S）\upcite{DBLP:journals/corr/GehringAGYD17}，或者针对卷积层进行改进，提出效率更高、性能更好的模型\upcite{Kaiser2018DepthwiseSC,Wu2019PayLA}。本节将基于ConvS2S模型，阐述如何使用卷积神经网络搭建端到端神经机器翻译模型。
\parinterval 正如之前所讲，卷积神经网络可以用于序列建模，同时具有并行性高和易于学习的特点，一个很自然的想法就是将其用作神经机器翻译模型中的特征提取器。因此，在神经机器翻译被提出之初，研究人员就已经开始利用卷积神经网络对句子进行特征提取。比较经典的模型是使用卷积神经网络作为源语言句子的编码器，使用循环神经网络作为目标语译文生成的解码器\upcite{kalchbrenner-blunsom-2013-recurrent,Gehring2017ACE}。之后也有研究人员提出完全基于卷积神经网络的翻译模型（ConvS2S）\upcite{DBLP:journals/corr/GehringAGYD17}，或者针对卷积层进行改进，提出效率更高、性能更好的模型\upcite{Kaiser2018DepthwiseSC,Wu2019PayLA}。本节将基于ConvS2S模型，阐述如何使用卷积神经网络搭建端到端神经机器翻译模型。
\parinterval ConvS2S模型是一种高并行的序列到序列的神经计算模型。该模型利用卷积神经网络分别对源语言端与目标语言端的序列进行特征提取，并使用注意力机制来捕获两个序列之间映射关系。相比于基于多层循环神经网络的GNMT模型\upcite{Wu2016GooglesNM}，其主要优势在于每一层的网络计算是完全并行化的，避免了循环神经网络中计算顺序对时序的依赖。同时，利用多层卷积神经网络的层级结构可以有效地捕捉序列不同位置之间的依赖。即使是远距离依赖，也可以通过若干层卷积单元进行有效的捕捉，而且其信息传递的路径相比循环神经网络更短。除此之外，模型同时使用门控线性单元、残差网络和位置编码等技术来进一步提升模型性能，达到了和GNMT模型相媲美的翻译性能，同时大大缩短了训练时间。
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\item {\small\bfnew{残差连接}}\index{残差连接}（Residual Connection）\index{Residual Connection}：对于源语言端和目标语言端的卷积层网络之间，都存在一个从输入到输出的额外连接，即跨层连接\upcite{DBLP:journals/corr/HeZRS15}。该连接方式确保每个隐层输出都能包含输入序列中的更多信息，同时能够有效提高深层网络的信息传递效率（该部分在图\ref{fig:11-12}中没有显示，具体结构详见\ref{sec:11.2.3}节）。
\item {\small\bfnew{多跳注意力机制}}\index{多跳注意力机制}（Multi-step Attention/Multi-hop Attention）\index{Multi-step Attention}\index{Multi-hop Attention}：蓝色框内部展示了基于多跳结构的注意力机制模块\upcite{Sukhbaatar2015EndToEndMN}。ConvS2S模型同样使用注意力机制来捕捉两个序列之间不同位置的对应。区别于之前的做法，多跳注意力在解码端每一个层都会执行注意力操作。下面将以此模型为例对基于卷积神经网络的机器翻译模型进行介绍。
\item {\small\bfnew{多跳注意力机制}}\index{多跳注意力机制}（Multi-step Attention/Multi-hop Attention）\index{Multi-step Attention}\index{Multi-hop Attention}：蓝色框内部展示了基于多跳结构的注意力机制模块\upcite{Sukhbaatar2015EndToEndMN}。ConvS2S模型同样使用注意力机制来捕捉两个序列之间不同位置的对应关系。区别于之前的做法，多跳注意力在解码端每一个层都会执行注意力操作。下面将以此模型为例对基于卷积神经网络的机器翻译模型进行介绍。
\end{itemize}
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\subsection{位置编码}
\label{sec:11.2.1}
\parinterval 与基于循环神经网络的翻译模型类似，基于卷积神经网络的翻译模型同样词嵌入序列来表示输入序列，记为$\seq{w}=\{\mathbi{w}_1,\mathbi{w}_2,...,\mathbi{w}_m\}$。序列$\seq{w}$ 是维度大小为$m \times d$的矩阵，第$i$个单词$\mathbi{w}_i$是维度为$d$的向量，其中$m$为序列长度，$d$为词嵌入向量维度。和循环神经网络不同的是，基于卷积神经网络的模型需要对每个输入单词位置进行表示。这是由于，在卷积神经网络中，受限于卷积核的大小，单层的卷积神经网络只能捕捉序列局部的相对位置信息。虽然多层的卷积神经网络可以扩大感受野，但是对全局的位置表示并不充分。而相较于基于卷积神经网络的模型，基于循环神经网络的模型按时间步对输入的序列进行建模，这样间接的对位置信息进行了建模。而词序又是自然语言处理任务中重要信息，因此这里需要单独考虑。
\parinterval 与基于循环神经网络的翻译模型类似，基于卷积神经网络的翻译模型同样用词嵌入序列来表示输入序列，记为$\seq{w}=\{\mathbi{w}_1,\mathbi{w}_2,...,\mathbi{w}_m\}$。序列$\seq{w}$ 是维度大小为$m \times d$的矩阵，第$i$个单词$\mathbi{w}_i$是维度为$d$的向量，其中$m$为序列长度，$d$为词嵌入向量维度。和循环神经网络不同的是，基于卷积神经网络的模型需要对每个输入单词位置进行表示。这是由于，在卷积神经网络中，受限于卷积核的大小，单层的卷积神经网络只能捕捉序列局部的相对位置信息。虽然多层的卷积神经网络可以扩大感受野，但是对全局的位置表示并不充分。而相较于基于卷积神经网络的模型，基于循环神经网络的模型按时间步对输入的序列进行建模，这样间接的对位置信息进行了建模。而词序又是自然语言处理任务中重要信息，因此这里需要单独考虑。
\parinterval 为了更好地引入序列的词序信息，该模型引入了位置编码$\seq{p}=\{\mathbi{p}_1,\mathbi{p}_2,...,\mathbi{p}_m\}$，其中$\mathbi{p}_i$的维度大小为$d$，一般和词嵌入维度相等，其中具体数值作为网络可学习的参数。简单来说，$\mathbi{p}_i$是一个可学习的参数向量，对应位置$i$的编码。这种编码的作用就是对位置信息进行表示，不同序列中的相同位置都对应一个唯一的位置编码向量。之后将词嵌入矩阵和位置编码进行相加，得到模型的输入序列$\seq{e}=\{\mathbi{w}_1+\mathbi{p}_1,\mathbi{w}_2+\mathbi{p}_2,...,\mathbi{w}_m+\mathbi{p}_m\}$。 也有研究人员发现卷积神经网络本身具备一定的编码位置信息的能力\upcite{Islam2020HowMP}，而这里额外的位置编码模块可以被看作是对卷积神经网络位置编码能力的一种补充。
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