Dynamic Memory Networks & DMN+

• DMN出自论文Ask Me Anything: Dynamic Memory Networks for Natural Language Processing(2015-06)，这个模型用于Question Answering并且可以拓展到情感分析和词性标注。正如Introduce中所提到的，很多NLP问题都可以看作QA问题，比如机器翻译、命名实体标注、文本分类问题如情感分析、共指消解(coreference resolution)等。

• DMN+出自论文Dynamic Memory Networks for Visual and Textual Question Answering(2016-03),它对DMN做了修改，称为DMN+，提高了在bAbI上的结果，并应用在了Visual Question Answer上

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DMN

1.Introduction

如上文所说，很多NLP问题可以视为QA问题，作者给出了一个例子，同时包含QA, Sentiment Analysis和Part-of-speech tags:

所以作者提出了DMN来解决这三种问题。DMN的流程如下：

1. 将输入和问题转换为内部表示
2. 根据问题迭代地检索相关的facts
3. 由DMN的memory模块根据facts和问题进行推理，给出相关的信息
4. 由回答模块将相关信息转化成答案。

2.Dynamic Memory Networks

DMN的总体结构如图：

2.1 Input Module

输入模块通过GRU来编码句子。GRU的输入是word embedding vectors. 对于一个多句子的文本，在每个句子末尾加上一个分隔符(End-of-Sentence)，当输入是EOS，取此时的隐含层状态h表示当前这个句子，编码后的句子记作{ si }

2.2 Question Module

对Question的编码也使用GRU, 不过参数与Input Module独立。question就是一个句子，所以question的编码 q 就是最后一个隐含层状态

2.3 Episodic Memory

这个模块将Input Module的输出 st 作为输入，通过attention机制生成对每一个输入fact的门限g，然后根据g计算出情节e，最后把e输入到GRU中生成episodic memory m . 有时候输入一轮{s_t}不能很好的记住所有需要的fact，所以需要迭代多轮。如下图：

图中迭代了两轮, 最后生成了两个memory m1 和 m2 。

• attention: 第i轮迭代，t时刻，输入为 ct , 上一轮的记忆为 mi−1 , 问题为 q , 则：
  

  git=G(ct,mi−1,q)
  其中:
  G(c,m,q)=σ(W(2)tanh(W(1)z(c,m,q)+b(1))+b(2))
  z(c,m,q)=[c,m,q,c∘q,c∘m,|c−q|,|c−m|,cTW(b)q,cTW(b)m]
  
  可就是说把c,m,q拓展成一个向量，然后使用了两层前馈网络计算门限 g

• Memory Update: 第i轮迭代，输入为 ct , 个数为 TC 对应的门限为 git ，设 m0=q , 则：

  hit=gitGRU(ct,hit−1)+(1−git)hit−1
  ei=hiTC
  mi=GRU(ei,mi−1)

2.4 Answer Module

这个模块仍然要使用GRU, 取最后一个memory 最为GRU的初始值，即 a0=mTM ，则：

yt=softmax(W(a)at)

at=GRU([yt−1,q],at−1)

3.Experimrnt

所有的实验Adam，L2正则，dropout, 词向量用的是GloVe.

• QA: bAbI Task
  
  -Sentiment Analysis: Stanford Sentiment Treebank
  
• Part-of-Speech Tagging: WSJ-PTB
  

此外文中还分析了多轮迭代的重要性，通过多轮迭代性能提升显著，特别是在bAbI问题上，需要找到多个supporting facts的时候。

4.Conclusion

DMN是一个解决多种NLP问题的通用的模型，能够端到端的训练，可以在更多的问题上拓展。

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DMN+

DMN+分析了DMN模型的两点缺陷：

1. GRU只能让当前的句子获得上文信息，而不能获得下文信息
2. 输入一个个单词到GRU来获得句子的编码，很难刻画相距很远的两个supporting facts之间的关联

因此作者Input Fusion Layer

1. Input Fusion Layer

针对DMN的缺陷，DMN+使用一个sentence reader专门用来将word embedding转化为sentence embedding，同时将GRU改成双向GRU.
如下图：

• sentence reader
  这一步采用了同MemN2N中相同的编码方式：
  
  ljd=(1−jM)−(dD)(1−2jM)
  fi=∑j=1Milj∘wij
  
  其中d是embedding dimension index, D 是embedding dimension, Mi 是第i个句子的单词个数
• Bi-directional GRU
  

so, 对于VQA怎么办？ 如下图，先使用VGG-19提取图像的特征图，然后把特征图使用激活函数为tanh的线性层映射到同question同一空间的向量,最后使用双向GRU获取f

2.Episodic Memory Module

• gate function g
  
  这里计算门限 g 的方式只是用了一层前馈网络加上一个softmax层，另外拓展成的向量 zit 与DMN中的z(c,m,q)少了好几项，作者分析说那几项并没什么卵用

• Attention based GRU
  利用soft attention计算epsodic et=∑Ni=1gitf ，但是这种方法没有把各输入的位置和顺序的信息加进去，作者提出了Attention based GRU， 把 g 添加到GRU内部。
  正常GRU的计算如下：
  
  
  作者把 ui 改为 gi ，则 hi=gi∘h~+(1−ui)∘hi−1 ,如图：
  
  因此，

  hti=AttGRU(fti,ht−1i)
  et=htTF

• Episodic Memory Update
  

  mt=ReLU(Wt[mt−1,et,q]+b)
  这里又是一个跟DMN不一样的地方，DMN更新m疯狂的使用GRU， 这里使用了一层ReLU的前馈网络。
  

3.Experiment

具体使用的优化方法，参数选取这里就不列出了，见原文。
- bAbI


然而我不明白的是，为什么在DMN的paper里面QA19的正确率是34.5%,到了这DMN+的论文里QA19成了100%?
- VQA