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。
引言
授课计划
Announcements
Intro to CNNs / 卷积神经网络介绍
Simple CNN for Sentence Classification: Yoon (2014) / 应用CNN做文本分类
CNN potpourri / CNN 细节
Deep CNN for Sentence Classification: Conneauet al. (2017) / 深度CNN用于文本分类
Quasi-recurrent Neural Networks / Q-RNN模型
欢迎来到课程的下半部分！
现在，我们正在为你准备成为 DL+NLP 研究人员/实践者
课程不会总是有所有的细节
这取决于你在网上搜索/阅读来了解更多
这是一个活跃的研究领域，有时候没有明确的答案
Staff 很乐意与你讨论，但你需要自己思考
作业的设计是为了应付项目的真正困难
每个任务都故意比上一个任务有更少的帮助材料
在项目中，没有提供 autograder 或合理性检查
DL 调试很困难，但是你需要学习如何进行调试！
1.卷积神经网络介绍
(卷积神经网络相关内容也可以参考ShowMeAI的对吴恩达老师课程的总结文章 深度学习教程 | 卷积神经网络解读
1.1 从RNN到CNN
循环神经网络不能捕获没有前缀上下文的短语
经常在最终向量中捕获的信息太多来自于最后的一些词汇内容
例如：softmax通常只在最后一步计算
CNN / Convnet 的主要思路：
如果我们为每一个特定长度的词子序列计算向量呢？
例如：tentative deal reached to keep government open
计算的向量为
tentative deal reached, deal reached to, reached to keep, to keep government, keep government open
不管短语是否合乎语法
在语言学上或认知上不太可信
然后将它们分组 (很快)
1.2 CNN 卷积神经网络
1.3 什么是卷积
一维离散卷积一般为：$(f \ast g)[n]=\sum_{m=-M}^{M} f[n-m] g[m]$
卷积通常地用于从图像中提取特征
模型位置不变的识别
可以参考斯坦福深度学习与计算机视觉课程cs231n (也可以在ShowMeAI查阅 cs231n 系列笔记学习)
二维示例：
黄色和红色数字显示过滤器 (=内核) 权重
绿色显示输入
粉色显示输出
1.4 文本的一维卷积
用于文本应用的 1 维卷积
1.5 带填充的文本的一维卷积
输入长度为 $L$ 的词序列
假设单词维度为 4，即有 4 channels
卷积后将会得到 1 channel
多个channel，则最终得到多个 channel 的输出，关注的文本潜在特征也不同
1.6 conv1d，随时间推移填充最大池化
平均池化对 feature map 求平均
1.7 PyTorch实现
Pytorch中的实现：参数很好地对应前面讲到的细节
batch_size= 16word_embed_size= 4seq_len= 7input = torch.randn(batch_size, word_embed_size, seq_len)conv1 = Conv1d(in_channels=word_embed_size, out_channels=3, kernel_size=3) # can add: padding=1 hidden1 = conv1(input)hidden2 = torch.max(hidden1, dim=2) # max pool
1.8 步长 (这里为2)
stride 步长，减少计算量
1.9 局部最大池化
每两行做 max pooling，被称为步长为 2 的局部最大池化
1.10 1维卷积的k-max pooling
记录每一个 channel 的所有时间的 top k 的激活值，并且按原有顺序保留(上例中的-0.2 0.3)
1.11 空洞卷积：dilation为2
扩张卷积 / 空洞卷积
上例中，对1 3 5行进行卷积，通过两个 filter 得到两个 channel 的激活值
可以在第一步的卷积中将卷积核从 3 改为 5，即可实现这样的效果，既保证了矩阵很小，又保证了一次卷积中看到更大范围的句子
补充讲解 / Summary
CNN中，一次能看一个句子的多少内容是很重要的概念
可以使用更大的 filter、扩张卷积或者增大卷积深度 (层数)
2.应用CNN做文本分类
2.1 用于句子分类的单层CNN
目标：句子分类
判断句子主观或客观
问题分类：问题是关于什么实体的？关于人、地点、数字、……
主要是识别判断句子的积极或消极情绪
其他任务
一个卷积层和池化层的简单使用
词向量：$\mathbf{x}_{i} \in \mathbb{R}^{k}$
句子：$\mathbf{x}{1 : n}=\mathbf{x}{1} \oplus x{2} \oplus \cdots \oplus \mathbf{x}{n}$ (向量连接)
连接 $\mathbf{X}_{i : i+j}$ 范围内的句子 (对称更常见)
卷积核 $\mathbf{w} \in \mathbb{R}^{h k}$ (作用范围为 $h$ 个单词的窗口)
注意，filter是向量，size 可以是2、3或4
2.2 单层CNN
过滤器 $w$ 应用于所有可能的窗口(连接向量)
为CNN层计算特征(一个通道)
$$ c{i}=f\left(\mathbf{w}^{T} \mathbf{x}{i : i+h-1}+b\right) $$
句子 $\mathbf{x}{1 : n}=\mathbf{x}{1} \oplus \mathbf{x}{2} \oplus \ldots \oplus \mathbf{x}{n}$
所有可能的长度为 $h$ 的窗口 $\left{\mathbf{x}{1 : h}, \mathbf{x}{2 : h+1}, \dots, \mathbf{x}_{n-h+1 : n}\right}$
结果是一个 feature map $\mathbf{c}=\left[c{1}, c{2}, \dots, c_{n-h+1}\right] \in \mathbb{R}^{n-h+1}$
2.3 池化与通道数
池化：max-over-time pooling layer
想法：捕获最重要的激活(maximum over time)
从feature map中 $\mathbf{c}=\left[c{1}, c{2}, \dots, c_{n-h+1}\right] \in \mathbb{R}^{n-h+1}$
池化得到单个数字 $\hat{c}=\max {\mathbf{c}}$
使用多个过滤器权重 $w$
不同窗口大小 $h$ 是有用的
由于最大池化 $\hat{c}=\max {\mathbf{c}}$，和 $c$ 的长度无关
$$ \mathbf{c}=\left[c{1}, c{2}, \dots, c_{n-h+1}\right] \in \mathbb{R}^{n-h+1} $$
所以我们可以有一些 filters 来观察 unigrams、bigrams、tri-grams、4-grams等等
2.4 多通道输入数据
使用预先训练的单词向量初始化 (word2vec 或 Glove)
从两个副本开始
只对1个副本进行了反向传播，其他保持静态
两个通道集都在最大池化前添加到 $c_i$
2.5 Classification after one CNN layer
首先是一个卷积，然后是一个最大池化
为了获得最终的特征向量 $\mathbf{z}=\left[\hat{c}{1}, \dots, \hat{c}{m}\right]$
假设我们有 $m$ 个卷积核 (滤波器filter) $w$
使用100个大小分别为3、4、5的特征图
最终是简单的 softmax layer $y=\operatorname{softmax}\left(W^{(S)} z+b\right)$
补充讲解
https://arxiv.org/pdf/1510.03820.pdf
输入长度为 7 的一句话，每个词的维度是 5 ，即输入矩阵是 $7 \times 5$
使用不同的 filter_size : (2,3,4)，并且每个 size 都是用两个 filter，获得两个 channel 的 feature，即共计 6 个 filter
对每个 filter 的 feature 进行 1-max pooling 后，拼接得到 6 维的向量，并使用 softmax 后再获得二分类结果
2.6 Regularization 正则化
使用 Dropout：使用概率 $p$ (超参数) 的伯努利随机变量(只有0 1并且 $p$ 是为 $1$ 的概率)创建 mask 向量 $r$
训练过程中删除特征
$$ y=\operatorname{softmax}\left(W^{(S)}(r \circ z)+b\right) $$
解释：防止互相适应(对特定特征的过度拟合)
在测试时不适用 Dropout，使用概率 $p$ 缩放最终向量
$$ \hat{W}^{(S)}=p W^{(S)} $$
此外：限制每个类的权重向量的 L2 Norm (softmax 权重 $W^{(S)}$ 的每一行) 不超过固定数 $s$ (也是超参数)
如果 $\left|W{c}^{(S)}\right|>s$ ，则重新缩放为 $\left|W{c}^{(S)}\right|=s$
不是很常见
3.CNN细节
3.1 CNN参数讨论
基于验证集 (dev) 调整超参数
激活函数：Relu
窗口过滤器尺寸$h=3，4，5$
每个过滤器大小有 100 个特征映射
Dropout$p=0.5$
Kim(2014年) 报告称，从 Dropout 来看，准确率提高了 $2 - 4 \%$
softmax行的 L2 约束，$s=3$
SGD训练的最小批量：$50$
词向量：用 word2vec 预训练，$k=300$
训练过程中，不断检查验证集的性能，并选择最高精度的权重进行最终评估
3.2 实验结果
不同的参数设置下的实验结果
3.3 对比CNN与RNN
Dropout 提供了 $2 - 4 \%$ 的精度改进
但几个比较系统没有使用 Dropout，并可能从它获得相同的收益
仍然被视为一个简单架构的显著结果
与我们在前几节课中描述的窗口和 RNN 架构的不同之处：池化、许多过滤器和 Dropout
这些想法中有的可以被用在 RNNs 中
3.4 模型对比
词袋模型 / Bag of Vectors：对于简单的分类问题，这是一个非常好的基线。特别是如果后面有几个 ReLU 层 (See paper: Deep Averaging Networks)
词窗分类 / Window Model：对于不需要广泛上下文的问题 (即适用于 local 问题)，适合单字分类。例如 POS、NER
卷积神经网络 / CNN：适合分类，较短的短语需要零填充，难以解释，易于在 gpu 上并行化
循环神经网络 / RNN：从左到右的认知更加具有可信度，不适合分类 (如果只使用最后一种状态)，比 CNNs 慢得多，适合序列标记和分类以及语言模型，结合注意力机制时非常棒
补充讲解
RNN对序列标记和分类之类的事情有很好的效果，以及语言模型预测下一个单词，并且结合注意力机制会取得很好的效果，但是对于某个句子的整体解释，CNN做的是更好的
3.5 跳接结构应用
我们在 LSTMs 和 GRUs 中看到的 门/跳接 是一个普遍的概念，现在在很多地方都使用这个概念
你还可以使用 **纵向** 的门
实际上，关键的概念——用快捷连接对候选更新求和——是非常深的网络工作所需要的
Note：添加它们时，请将 $x$ 填充成conv一样的维度，再求和
3.6 批归一化BatchNorm
常用于 CNNs
通过将激活量缩放为零均值和单位方差，对一个 mini-batch 的卷积输出进行变换
这是统计学中熟悉的 Z-transform
但在每组 mini-batch 都会更新，所以波动的影响不大
使用 BatchNorm 使模型对参数初始化的敏感程度下降，因为输出是自动重新标度的
也会让学习率的调优更简单，模型的训练会更加稳定
PyTorch：nn.BatchNorm1d
3.7 1x1卷积
1x1的卷积有作用吗？是的。
1x1 卷积，即网络中的 Network-in-network (NiN) connections，是内核大小为1的卷积内核
1x1 卷积提供了一个跨通道的全连接的线性层
它可以用于从多个通道映射到更少的通道
1x1 卷积添加了额外的神经网络层，附加的参数很少
与全连接 (FC) 层不同——全连接(FC)层添加了大量的参数
3.8 CNN 应用：机器翻译
最早成功的神经机器翻译之一
使用CNN进行编码，使用RNN进行解码
Kalchbrennerand Blunsom(2013) Recurrent Continuous Translation Models
3.9 #论文解读# Learning Character-level Representations for Part-of-Speech Tagging
对字符进行卷积以生成单词嵌入
固定窗口的词嵌入被用于 POS 标签
3.10 #论文解读# Character-Aware Neural Language Models
基于字符的单词嵌入
利用卷积、highway network 和 LSTM
4.深度CNN用于文本分类
4.1 深度卷积网络用于文本分类
起始点：序列模型 (LSTMs) 在 NLP 中占主导地位；还有CNNs、注意力等等，但是所有的模型基本上都不是很深入——不像计算机视觉中的深度模型
当我们为 NLP 构建一个类似视觉的系统时会发生什么
从字符级开始工作
4.2 VD-CNN 结构
整个系统和视觉神经网络模型中的 VGG 和 ResNet 结构有点像
不太像一个典型的深度学习 NLP 系统
结果是固定大小，因为文本被截断或者填充成统一长度了
每个阶段都有局部池化操作，特征数量 double
4.3 VD-CNN的卷积模块
每个卷积块是两个卷积层，每个卷积层后面是 BatchNorm 和一个 ReLU
卷积大小为 3
pad 以保持 (或在局部池化时减半) 维数
4.4 实验结果
使用大文本分类数据集
比 NLP 中经常使用的小数据集大得多，如Yoon Kim(2014) 的论文
补充讲解
以上数据均为错误率，所以越低越好
深度网络会取得更好的结果，残差层取得很好的结果，但是深度再深时并未取得效果提升
实验表明使用 MaxPooling 比 KMaxPooling 和 使用 stride 的卷积 的两种其他池化方法要更好
ConvNets 可以帮助我们建立很好的文本分类系统
4.5 RNNs比较慢
RNNs 是深度 NLP 的一个非常标准的构建块
但它们的并行性很差，因此速度很慢
想法：取 RNNs 和 CNNs 中最好且可并行的部分
5.Q-RNN模型
5.1 Quasi-Recurrent Neural Network
努力把两个模型家族的优点结合起来
时间上并行的卷积，卷积计算候选，遗忘门和输出门
$$ \begin{aligned} \mathbf{z}{t} &=\tanh \left(\mathbf{W}{z}^{1} \mathbf{x}{t-1}+\mathbf{W}{z}^{2} \mathbf{x}{t}\right) \ \mathbf{f}{t} &=\sigma\left(\mathbf{W}{f}^{1} \mathbf{x}{t-1}+\mathbf{W}{f}^{2} \mathbf{x}{t}\right) \ \mathbf{o}{t} &=\sigma\left(\mathbf{W}{o}^{1} \mathbf{x}{t-1}+\mathbf{W}{o}^{2} \mathbf{x}_{t}\right) \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} \mathbf{Z} &=\tanh \left(\mathbf{W}{z} * \mathbf{X}\right) \ \mathbf{F} &=\sigma\left(\mathbf{W}{f} \mathbf{X}\right) \ \mathbf{O} &=\sigma\left(\mathbf{W}_{o} \mathbf{X}\right) \end{aligned} $$
跨通道并行性的逐元素的门控伪递归是在池化层中完成的
$$ \mathbf{h}{t}=\mathbf{f}{t} \odot \mathbf{h}{t-1}+\left(1-\mathbf{f}{t}\right) \odot \mathbf{z}_{t} $$
5.2 Q-RNN 实验：语言模型
5.3 Q-RNNs：情感分析
通常比 LSTMs 更好更快
可解释更好
5.4 QRNN 的限制
对于字符级的 LMs 并不像 LSTMs 那样有效
建模时遇到的更长的依赖关系问题
通常需要更深入的网络来获得与 LSTM 一样好的性能
当它们更深入时，速度仍然更快
有效地使用深度作为真正递归的替代
5.5 RNN的缺点&Transformer提出的动机
我们希望能够并行加速，但 RNN 是串行的
尽管 GRUs 和 LSTMs，RNNs 通过注意力机制可以捕捉到长时依赖，但随着序列增长，需要计算的路径也在增长
如果注意力机制本身可以让我们关注任何位置的信息，可能我们不需要 RNN？
6.视频教程
可以点击 B站 查看视频的【双语字幕】版本
7.参考资料
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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原文：https://juejin.cn/post/7097407978508124174