【论文阅读】Ask me anything: Dynamic memory networks for natural language processing

paper地址：https://arxiv.org/pdf/1506.07285v5.pdf

代码地址：https://github.com/radiodee1/awesome-chatbot

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一、简介

自然语言处理中的许多问题都可以当作QA问题来处理，动态记忆网络(DMN)是一种处理输入序列和问题、形成情景记忆并生成相关答案的神经网络结构。

DMN使用input-question-answer三元组作为输入，可用于解决序列标注问题，分类问题，sequence-to-sequence 任务以及问答任务。（当作QA任务）

问题会触发一个迭代注意过程，该过程允许模型将其注意条件设置为输入和先前迭代的结果。然后用递归序列模型对这些结果进行推理，生成答案。

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二、方法/模型

模型架构

（主要基于GRU）
动态记忆网络DMN包括输入模块、问题模块、情境记忆模块、应答模块：

• Input Module 输入模块：将任务中的原始文本输入编码为分布式向量表示
• Question Module 问题模块：将任务中的问题编码为分布式向量表示
• Episodic Memory Module 情境记忆模块：根据输入的表示来检索新信息
• Answer Module 应答模块：Answer模块从内存模块的最终内存向量中生成一个答案

流程如下：

1. 计算输入和问题的向量表示
2. 根据问题触发Attention机制，使用门控的方法选择出跟问题相关的输入
3. 情景记忆模块会结合相关的输入和问题进行迭代生成记忆，并且生成一个答案的向量表示。
4. 应答模块结合该向量以及问题向量，生成最终的答案

Input Module

可以利用RNN编码输入的句子，word embeddings作为循环网络的输入，在每个时间步长t处，网络更新其隐藏状态ht= RNN(L[wt]， ht−1)，其中L为嵌入矩阵，wt为输入序列第t个单词的单词索引。

输入单句时，输出递归网络的隐藏状态；输入多句时，将句子连接成一个单词标记的长列表，并在每个句子之后插入一个句子结束标记，每个句子结束标记处的隐藏状态就是输入模块的最终表示。

本文的循环神经网络选取的是GRU：

简写为: $h_t=GRU(x_t,h_{t-1})$

Question Module

给定问题$T_Q$个词, t时刻问题编码器的隐藏状态为: $$q_t=GRU(L[w_t^Q]，q_{t-1})$$ L表示上一节中的word embedding矩阵，$w_t^Q$表示问题中第$t$个单词的索引。输入模块和问题模块之间共享word embedding矩阵。与输入模块不同，问题模块输出递归网络编码器的最终隐藏状态$q=q_{T_Q}$

Episodic Memory Module

情景记忆模块在输入模块输出的表示上迭代，同时更新其内部情景记忆。在一般形式下，情景记忆模块由注意机制和不断更新记忆的循环网络组成。在每次迭代过程中，注意机制参与事实表征c，同时考虑问题表征q和之前的记忆$m^{i-1}$生成事件$e^i$, 然后这个情节和之前的记忆$m^{i-1}$一起被用来更新情景记忆: $$m^i=GRU(e^i,m^{i-1})$$ 这个GRU的初始状态被初始化为问题向量本身，即$m^0=q$。对于某些任务来说，对输入进行多次传递是有利于情景记忆模块的。在$T_M$通过之后，最后的内存$m^{T_M}$传递给答案模块。

内存更新

为了计算第i步的情节，对输入序列$c1，\dots ，c_{T_C}$应用共享了$g^i$权重的GRU。GRU最终的隐藏状态作为传递给应答模块的episode vector。t时刻GRU隐藏状态的更新方程和episode情景计算方程分别为:

Answer Module

answer模块根据给定的向量生成一个答案。根据任务类型的不同，答案模块要么在情景记忆结束时触发一次，要么在每个时间步中触发一次。

使用另一个初始状态被初始化为最后一个内存$a_0=m^{T_M}$的GRU。在每个时间步中，它将最后一个隐藏状态为$a_{t-1}$的问题q以及之前预测的输出$y_{t-1}$作为输入。

在这里，我们将最后生成的单词和问题向量连接起来作为每个时间步的输入。输出通过正确序列的交叉熵错误分类进行训练，并附加一个特殊的序列结束标记。

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三、实验

1. 数据集

• Facebook的bAbI数据集（问答），用于测试模型检索事实和推理的能力

• SST（情感分类），提供了短语级的细粒度标签，所有完整的句子(根节点)的测试集分为：非常消极的、负面的、中性的、积极的，或非常积极。

• WSJ-PTB（词性标注）
  

2. 实验设置

使用GloVe对单词向量进行预先训练

3. 实验结果

QA:

情感分析：

词性标注：

四、结论

DMN模型是各种NLP应用程序的潜在通用体系结构，包括分类、问题回答和序列建模。

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