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Shanweiqiao

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Chapter13/chapter13.tex

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 \parinterval 一种解决开放词表翻译问题的思路是改造输出层结构\upcite{garcia-martinez2016factored,DBLP:conf/acl/JeanCMB15}，比如，替换原始的Softmax层，用更加高效的神经网络结构进行超大规模词表上的预测。不过，模型结构和训练方法的调整使得系统开发与调试的工作量增加，并且这类方法仍然无法解决未登录词问题，因此在实用系统中并不常用。
 \parinterval 一种解决开放词表翻译问题的思路是改造输出层结构\upcite{garcia-martinez2016factored,DBLP:conf/acl/JeanCMB15}，比如，替换原始的Softmax层，用更加高效的神经网络结构进行超大规模词表上的预测。不过，模型结构和训练方法的调整使得系统开发与调试的工作量增加，并且这类方法仍然无法解决未登录词问题，因此在实用系统中并不常用。
 
 
-\parinterval 另一种思路是不改变机器翻译系统，而是从数据处理的角度来缓解未登录词问题。既然使用单词会带来数据稀疏问题，那么自然会想到使用更小的单元,通过更小的单元的多种排列组合来表示更多的单词。比如，把字符作为最小的翻译单元 \footnote{汉语里的字符可以被看作是汉字。} \ \dash \ 也就是基于字符的翻译模型\upcite{DBLP:journals/tacl/LeeCH17}。以英语为例，只需要构造一个包含26个英语字母、数字和一些特殊符号的字符表，便可以表示所有的单词。
+\parinterval 另一种思路是不改变机器翻译系统，而是从数据处理的角度来缓解未登录词问题。既然使用单词会带来数据稀疏问题，那么自然会想到使用更小的单元，通过更小的单元的多种排列组合来表示更多的单词。比如，把字符作为最小的翻译单元 \footnote{汉语里的字符可以被看作是汉字。} \ \dash \ 也就是基于字符的翻译模型\upcite{DBLP:journals/tacl/LeeCH17}。以英语为例，只需要构造一个包含26个英语字母、数字和一些特殊符号的字符表，便可以表示所有的单词。
 
 
 \parinterval 但是字符级翻译也面临着新的问题\ \dash\ 使用字符增加了系统捕捉不同语言单元之间搭配的难度。假设平均一个单词由5个字符组成，系统所处理的序列长度便增大5倍。这使得具有独立意义的不同语言单元需要跨越更远的距离才能产生联系。此外，基于字符的方法也破坏了单词中天然存在的构词规律，或者说破坏了单词内字符的局部依赖。比如，英语单词“telephone”中的“tele”和“phone”都是有具体意义的词缀，但是如果把它们打散为字符就失去了这些含义。
 \parinterval 但是字符级翻译也面临着新的问题\ \dash\ 使用字符增加了系统捕捉不同语言单元之间搭配的难度。假设平均一个单词由5个字符组成，系统所处理的序列长度便增大5倍。这使得具有独立意义的不同语言单元需要跨越更远的距离才能产生联系。此外，基于字符的方法也破坏了单词中天然存在的构词规律，或者说破坏了单词内字符的局部依赖。比如，英语单词“telephone”中的“tele”和“phone”都是有具体意义的词缀，但是如果把它们打散为字符就失去了这些含义。
 
 
@@ -542,11 +542,12 @@ Loss_{\textrm{robust}}(\theta_{\textrm{mt}}) &=&  \frac{1}{N}\sum_{(\mathbi{x},\
 
 
 \noindent 这里，$\hat{\seq{y}}$是模型预测的译文，$\chi(\seq{x}^{[k]})$是$\seq{x}^{[k]}$所对应的所有候选翻译的集合。损失函数$\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]})$用来衡量模型预测$\hat{\seq{y}}$与标准答案$\seq{y}^{[k]}$间的差异，损失函数一般用翻译质量评价指标定义，例如，BLEU，TER等\footnote{对于BLEU，损失函数可以被定义为$1-$BLEU。}。在最小风险训练中，对模型参数$\theta$的偏导数为：
 \noindent 这里，$\hat{\seq{y}}$是模型预测的译文，$\chi(\seq{x}^{[k]})$是$\seq{x}^{[k]}$所对应的所有候选翻译的集合。损失函数$\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]})$用来衡量模型预测$\hat{\seq{y}}$与标准答案$\seq{y}^{[k]}$间的差异，损失函数一般用翻译质量评价指标定义，例如，BLEU，TER等\footnote{对于BLEU，损失函数可以被定义为$1-$BLEU。}。在最小风险训练中，对模型参数$\theta$的偏导数为：
 \begin{eqnarray}
 \begin{eqnarray}
-\frac{\partial \funp{R}(\theta)}{\partial \theta} & = & \sum_{k=1}^N \mathbb{E}_{\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta}[\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]}) \times \frac{\partial \funp{P}(\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta)/\partial \theta}{\funp{P}(\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta)}]
+\frac{\partial \funp{R}(\theta)}{\partial \theta} & = & \sum_{k=1}^N \mathbb{E}_{\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta}[\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]}) \times \frac{\partial \funp{P}(\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta)/\partial \theta}{\funp{P}(\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta)}] \nonumber \\
+& = & {\red \sum_{k=1}^N \mathbb{E}_{\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta}[\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]}) \times \frac{\partial \log{\funp{P}(\hat{\seq{y}}|\seq{x}^{[k]};\theta)}}{\partial \theta}]}
 \label{eq:13-15}
 \label{eq:13-15}
 \end{eqnarray}
 \end{eqnarray}
 
 
-\noindent 公式\eqref{eq:13-15}使用了{\small\bfnew{策略梯度}}\index{策略梯度}（Policy Gradient\index{Policy Gradient}）的手段将$\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]})$提到微分操作之外\upcite{DBLP:conf/nips/Kakade01,DBLP:journals/corr/abs-1810-02525}。这样，就无需对$\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]})$进行微分，因此最小风险训练允许任意不可微的损失函数，包括BLEU等常用的评价函数。使用公式\eqref{eq:13-15}就可以求出模型参数相对于风险函数的损失，进而进行基于梯度的优化。
+\noindent 公式\eqref{eq:13-15}使用了{\small\bfnew{策略梯度}}\index{策略梯度}（Policy Gradient\index{Policy Gradient}）的手段将$\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]})$提到微分操作之外\upcite{DBLP:conf/nips/Kakade01,DBLP:journals/corr/abs-1810-02525}。这样，就无需对$\vartriangle(\hat{\seq{y}},\seq{y}^{[k]})$进行微分，因此最小风险训练允许任意不可微的损失函数，包括BLEU等常用的评价函数。{\red 同时，等式右侧将对概率的求导操作转化为了对log函数的求导，更易于模型进行优化。因此，}使用公式\eqref{eq:13-15}就可以求出模型参数相对于风险函数的损失，进而进行基于梯度的优化。
 
 
 \parinterval 这里需要注意的是，公式\eqref{eq:13-15}中求期望的过程是无法直接实现的，因为无法遍历所有的译文句子。通常，会使用采样的方法搜集一定数量的译文，来模拟译文空间。例如，可以使用推断系统生成若干译文。同时，为了保证生成的译文之间具有一定的差异性，也可以对推断过程进行一些“干扰”。从实践的角度看，采样方法是影响强化学习系统的重要因素，因此往往需要对不同的任务设计相适应的采样方法。最简单的方法就是在产生译文的每一个词时候，根据模型产生的下一个词的分布随机选取词当作模型预测，直到选到句子结束符或者达到特定长度的时候停止\upcite{DBLP:conf/emnlp/EdunovOAG18}。其他方法还包括随机束搜索，它把束搜索中选取Top-$k$的操作替换成随机选取$k$个词。这个方法不会采集到重复的样本。还可以使用基于Gumbel-Top-$k$的随机束搜索更好地控制了样本里的噪声\upcite{DBLP:conf/icml/KoolHW19}。
 \parinterval 这里需要注意的是，公式\eqref{eq:13-15}中求期望的过程是无法直接实现的，因为无法遍历所有的译文句子。通常，会使用采样的方法搜集一定数量的译文，来模拟译文空间。例如，可以使用推断系统生成若干译文。同时，为了保证生成的译文之间具有一定的差异性，也可以对推断过程进行一些“干扰”。从实践的角度看，采样方法是影响强化学习系统的重要因素，因此往往需要对不同的任务设计相适应的采样方法。最简单的方法就是在产生译文的每一个词时候，根据模型产生的下一个词的分布随机选取词当作模型预测，直到选到句子结束符或者达到特定长度的时候停止\upcite{DBLP:conf/emnlp/EdunovOAG18}。其他方法还包括随机束搜索，它把束搜索中选取Top-$k$的操作替换成随机选取$k$个词。这个方法不会采集到重复的样本。还可以使用基于Gumbel-Top-$k$的随机束搜索更好地控制了样本里的噪声\upcite{DBLP:conf/icml/KoolHW19}。
 
 
@@ -571,11 +572,16 @@ Loss_{\textrm{robust}}(\theta_{\textrm{mt}}) &=&  \frac{1}{N}\sum_{(\mathbi{x},\
 \parinterval 基于策略的强化学习是要寻找一个策略$\funp{p}(a|\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{x})$，使得该策略选择的行动$a$未来可以获得的奖励期望最大化，也被称为{\small\bfnew{动作价值函数}}\index{动作价值函数}（Action-value Function）\index{Action-value Function}最大化。这个过程通常用函数$Q$来描述：
 \parinterval 基于策略的强化学习是要寻找一个策略$\funp{p}(a|\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{x})$，使得该策略选择的行动$a$未来可以获得的奖励期望最大化，也被称为{\small\bfnew{动作价值函数}}\index{动作价值函数}（Action-value Function）\index{Action-value Function}最大化。这个过程通常用函数$Q$来描述：
 \begin{eqnarray}
 \begin{eqnarray}
 \funp{Q}(a;\hat{y}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) & = & \mathbb{E}_{\hat{y}_{j+1 \ldots J} \sim \funp{p}(\cdot|\hat{y}_{1 \ldots j-1} a,\seq{x})}[\funp{r}_j(a;\hat{y}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) + \nonumber \\
 \funp{Q}(a;\hat{y}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) & = & \mathbb{E}_{\hat{y}_{j+1 \ldots J} \sim \funp{p}(\cdot|\hat{y}_{1 \ldots j-1} a,\seq{x})}[\funp{r}_j(a;\hat{y}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) + \nonumber \\
-&  & \sum_{i=j+1}^J\funp{r}_i(\hat{{y}}_i;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a\hat{{y}}_{j+1 \ldots i},\seq{y})]
+&  & \sum_{i=j}^J\funp{r}_i(\hat{{y}}_i;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a\hat{{y}}_{j+1 \ldots i},\seq{y})]
 \label{eq:13-16}
 \label{eq:13-16}
 \end{eqnarray}
 \end{eqnarray}
+{\blue ---------------------------------------------讨论\\
+{{ (学长，$\sum_{i=j+1}^J\funp{r}_i(\hat{{y}}_i;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a\hat{{y}}_{j+1 \ldots i},\seq{y})$想表达的应该是：\\$\funp{r}_{j+1}(\hat{{y}}_{j+1};\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a,\seq{y})$\\$\funp{r}_{j+2}(\hat{{y}}_{j+2};\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a\hat{{y}}_{j+1},\seq{y})$\\$\funp{r}_{j+3}(\hat{{y}}_{j+3};\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a\hat{{y}}_{j+1,j+2},\seq{y})$\\$\cdots$\\这些项的加和对吧，那$a$后面的$y$的最后一项改成$i-1$也不合理，因为$i-1$就是$j$，会跟$a$重复（因为$a$也是$\hat{{y}}_j$，只不过$\hat{{y}}_j$是固定的状态，$a$是任意动作），要不这里就把a改成$\hat{{y}}_j$行吗?或者$a_{\hat{{y}}_j}$这种形式，但是这种形式仍然会和$a$后面的加和冲突。)}}
 
 
-\noindent 其中，$\funp{r}_j(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y})$是$j-1$时刻做出行动$a$获得的奖励，$\funp{r}_i(\hat{{y}}_i;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a\hat{{y}}_{j+1 \ldots i},\seq{y})$是在$j$时刻的行动为$a$的前提下，$i$时刻的做出行动$\hat{{y}}_i$获得的奖励，$\seq{x}$是源语言句子，$\seq{y}$是正确译文，$\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}$是策略$\funp{p}$产生的译文的前$j-1$个词，$J$是生成译文的长度。对于源语句子$x$，最优策略$\hat{p}$可以被定义为：
+{{ 学长觉得这样行吗，公式1.16把a删掉，改成：$\sum_{i=j}^J\funp{r}_i(\hat{{y}}_i;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}\hat{{y}}^{a}_{j \ldots i},\seq{y})$，（下面的段落加说明，此处的$\hat{{y}}^{a}_{j \ldots i}$表示由动作a决定的$\hat{{y}}_{j \ldots i}$）\\}}
+---------------------------------------------讨论\\
+}
+\noindent 其中，$\funp{r}_j(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y})$是$j$时刻做出行动$a$获得的奖励，$\funp{r}_i(\hat{{y}}_i;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}a\hat{{y}}_{j+1 \ldots i},\seq{y})$是在$j$时刻的行动为$a$的前提下，$i$时刻的做出行动$\hat{{y}}_i$获得的奖励，{\red $\hat{y}_{j+1 \ldots J} \sim \funp{p}(\cdot|\hat{y}_{1 \ldots j-1} a,\seq{x})$表示序列$\hat{y}_{j+1 \ldots J}$是根据$\funp{p}(\cdot|\hat{y}_{1 \ldots j-1} a,\seq{x})$得到的采样结果，概率函数$\funp{p}$中的$\cdot$表示序列$\hat{y}_{j+1 \ldots J}$服从的随机变量，}$\seq{x}$是源语言句子，$\seq{y}$是正确译文，$\hat{{y}}_{1 \ldots j-1}$是策略$\funp{p}$产生的译文的前$j-1$个词，$J$是生成译文的长度。{\red 特别的，对于公式\ref{eq:13-16}中$\hat{{y}}_{j+1 \ldots i}$来说，如果$i<j+1$，则$\hat{{y}}_{j+1 \ldots i}$不存在，}对于源语句子$x$，最优策略$\hat{p}$可以被定义为：
 \begin{eqnarray}
 \begin{eqnarray}
 \hat{p} & = & \argmax_{\funp{p}}\mathbb{E}_{\hat{\seq{y}} \sim \funp{p}(\hat{\seq{y}} | \seq{x})}\sum_{j=1}^J\sum_{a \in A}\funp{p}(a|\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{x})\funp{Q}(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{y})
 \hat{p} & = & \argmax_{\funp{p}}\mathbb{E}_{\hat{\seq{y}} \sim \funp{p}(\hat{\seq{y}} | \seq{x})}\sum_{j=1}^J\sum_{a \in A}\funp{p}(a|\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{x})\funp{Q}(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{y})
 \label{eq:13-17}
 \label{eq:13-17}
@@ -604,19 +610,19 @@ Loss_{\textrm{robust}}(\theta_{\textrm{mt}}) &=&  \frac{1}{N}\sum_{(\mathbi{x},\
 \label{eq:13-19}
 \label{eq:13-19}
 \end{eqnarray}
 \end{eqnarray}
 
 
-\parinterval 这个等式也被称为{\small\bfnew{贝尔曼方程}}\index{贝尔曼方程}（Bellman Equation\index{Bellman Equation}）\upcite{sutton2018reinforcement}。它表达了$j-1$时刻的动作价值函数$\funp{Q}(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y})$跟下一时刻$j$的动作价值函数$\funp{Q}(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{y})$之间的关系。因此可以很自然的使用等式右部作为等式左部$\funp{Q}(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y})$的等价形式。于是，可以定义$j$时刻动作价值函数为：
+\parinterval 这个等式也被称为{\small\bfnew{贝尔曼方程}}\index{贝尔曼方程}（Bellman Equation\index{Bellman Equation}）\upcite{sutton2018reinforcement}。它表达了$j-1$时刻的动作价值函数$\funp{Q}(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y})$跟下一时刻$j$的动作价值函数$\funp{Q}(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{y})$之间的关系。{\red 在理想情况下，动作价值函数$\funp{Q}$应该满足上述等式，因此可以使用该等式作为可学习的函数$\tilde{\funp{Q}}$的目标}{\red \sout{，因此可以很自然的使用等式右部作为等式左部$\funp{Q}(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y})$的等价形式}}。于是，可以定义$j$时刻动作价值函数为：
 \begin{eqnarray}
 \begin{eqnarray}
 \funp{q}_j & = &  \funp{r}_j(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) + \sum_{a \in A}\funp{p}(a|\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{x})\tilde{\funp{Q}}(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{y})
 \funp{q}_j & = &  \funp{r}_j(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) + \sum_{a \in A}\funp{p}(a|\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{x})\tilde{\funp{Q}}(a;\hat{{y}}_{1 \ldots j},\seq{y})
 \label{eq:13-20}
 \label{eq:13-20}
 \end{eqnarray}
 \end{eqnarray}
 
 
-\parinterval 而评论家对应的目标定义如下：
+\noindent  {\red 相应的，}评论家对应的目标定义如下：
 \begin{eqnarray}
 \begin{eqnarray}
 \hat{\tilde{\funp{Q}}} & = & \argmin_{\tilde{\funp{Q}}}\sum_{j=1}^J{(\tilde{\funp{Q}}(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) - \funp{q}_j)}^2
 \hat{\tilde{\funp{Q}}} & = & \argmin_{\tilde{\funp{Q}}}\sum_{j=1}^J{(\tilde{\funp{Q}}(\hat{{y}}_j;\hat{{y}}_{1 \ldots j-1},\seq{y}) - \funp{q}_j)}^2
 \label{eq:13-21}
 \label{eq:13-21}
 \end{eqnarray}
 \end{eqnarray}
 
 
-\parinterval 最后，通过同时优化演员和评论家直到收敛，获得的演员（也就是策略$\funp{p}$）就是我们期望的翻译模型。图\ref{fig:13-12}展示了演员和评论家的关系。
+\parinterval {\red 此时，公式\ref{eq:13-20}与公式\ref{eq:13-21}共同组成了评论家的学习目标，使得可学习的函数$\tilde{\funp{Q}}$逼近理想的$\funp{Q}$。}最后，通过同时优化演员和评论家直到收敛，获得的演员（也就是策略$\funp{p}$）就是我们期望的翻译模型。图\ref{fig:13-12}展示了演员和评论家的关系。
 
 
 %----------------------------------------------
 %----------------------------------------------
 \begin{figure}[htp]
 \begin{figure}[htp]
@@ -631,7 +637,7 @@ Loss_{\textrm{robust}}(\theta_{\textrm{mt}}) &=&  \frac{1}{N}\sum_{(\mathbi{x},\
 
 
 \begin{itemize}
 \begin{itemize}
 \vspace{0.5em}
 \vspace{0.5em}
-\item {\small\bfnew{多目标学习}}。演员的优化通常会引入额外的极大似然估计目标函数，同时会使用极大似然估计进行预训练。这样会简化训练，因为随机初始化的演员性能很差，很难获得有效的奖励。同时极大似然估计也被可以当作一种先验知识，通过正则项的形式约束机器翻译模型的学习，防止模型陷入很差的局部最优，并加速模型收敛。
+\item {\small\bfnew{多目标学习}}。演员的优化通常会引入额外的极大似然估计目标函数，同时会使用极大似然估计进行预训练。这样会简化训练，因为随机初始化的演员性能很差，很难获得有效的奖励。同时极大似然估计也可以被当作一种先验知识，通过正则项的形式约束机器翻译模型的学习，防止模型陷入很差的局部最优，并加速模型收敛。
 \vspace{0.5em}
 \vspace{0.5em}
 \item {\small\bfnew{优化目标}}。评论家的优化目标是由自身输出所构造的。当模型更新比较快的时候模型的输出变化也会很快，导致构造的优化目标不稳定，影响模型收敛效果。一个解决方案是，在一定更新次数内固定构造优化目标使用的模型，然后再使用比较新的模型来构造后续一定更新次数内的优化目标，如此往复\upcite{DBLP:journals/nature/SilverHMGSDSAPL16}。
 \item {\small\bfnew{优化目标}}。评论家的优化目标是由自身输出所构造的。当模型更新比较快的时候模型的输出变化也会很快，导致构造的优化目标不稳定，影响模型收敛效果。一个解决方案是，在一定更新次数内固定构造优化目标使用的模型，然后再使用比较新的模型来构造后续一定更新次数内的优化目标，如此往复\upcite{DBLP:journals/nature/SilverHMGSDSAPL16}。
 \vspace{0.5em}
 \vspace{0.5em}