深度语言模型-ELMo

简介

2018年3月，ELMo这篇paper发表，《Deep contextualized word representations》， 是NAACL18 Best Paper。
ELMo是指一个训练好的模型， 而非一个向量， 是动态的，是一个过程。当给出一句话时，模型会根据上下文来判断每个词对应的词向量，最后输出。这样做之后明显的好处之一就是对于多义词，可以结合前后语境对多义词进行理解。解决了word2vec的静态权重问题。

原理：

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损失：

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对于给定的k-1个词，推断第k个词为目标词的概率，然后将该概率最大化。

输入：

word embedding使用的Jozefowicz的CNN-BIG-LSTM， 和Word2Vec,glove等都是同类的词向量。可以表示为x_k^LM， 即第0层的E₁、E₂、E₃...、E_N

中间过程

图中虚线框是某一个中间层，即一个Encoder，实际应用时，可以加很多中间层Encoder，比如我们常说的12层的模型，也就是是中间有12个这种Encoder，即这种虚线框里的部件。可以看到图中的这一个中间层，是由两个Bi-LSTM（双向LSTM）组成. 其中：

• 一个是从fisrt word 到 last word， 正序Bi-LSTM，其输出为：
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  表示第j层encoder，第k个的词的正向Bi-LSTM输出。

• 另一个是从last word 到 first word， 逆序Bi-LSTM，其输出为：
  
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  表示第j层encoder，第k个的词的逆向Bi-LSTM输出。
  这样以来，每一层每一个词都会有一个输出，我们称为R_k， 如下所示：
  
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  R_k表示第k层的所有输出，包括正向Bi-LSTM输出，逆向Bi-LSTM输出，以及拼接上最原始的WordEmbeding向量x_k^LM。

输出

经过上面中间过程后，对于L层（L个encoder）的ELMO网络，每个词就会有L个正向向量表示，即L个正向特征表示。L个逆向特征表示。再加一个输入的word embeding表示，所以每个词有2L+1个特征表征。

那么针对每个词，我们在定义两个参数，或者叫权重 γ 和 s_j，其中用法如下：

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ELMo_k^task就是整个ELMO网络最终的关于第k个词的向量输出。
其计算也很简单，就是给每一层第k个词的输出h_k,j^LM（包括正向Bi-LSTM，和反向Bi-LSTM两部分）乘以该层的整体权重s_j， 请注意此时的s_j是在正向Bi-LSTM，和反向Bi-LSTM共享的，即该层两个网络用的是同一个 s_j。然后将所有层的乘以本层权重s_j后的输出结果相加求和，最后再乘以整体网络的参数γ，就得到了ELMo*_k^task。
其实，这个过程就是改词每一层的输出的线性组合。

特点

• ELMo学到了什么？？？或者说解决哪些问题
  实验表明：

1. 解决Word sense disambiguation（词义消歧）问题
   单独用每层输出测试，发现越高层，对语义理解越好，表示对词义消歧做的越好。越能捕获词意信息。
2. 解决POS tagging（词性标注）问题
   单独用每层输出测试，发现底层的输出更能学到词的句法信息和词性信息。

缺点

• 特征抽取器选择方面，ELMO 使用了 LSTM 而不是新贵 Transformer，很多研究已经证明了 Transformer 提取特征的能力是要远强于 LSTM 的。如果 ELMO 采取 Transformer 作为特征提取器，那么估计 Bert 的反响远不如现在的这种火爆场面。
• ELMO 采取双向拼接这种融合特征的能力可能比 Bert一体化的融合特征方式弱，但是，这只是一种从道理推断产生的怀疑，目前并没有具体实验说明这一点。
• 貌似ELMO这种双向都做，然后拼接看上去能够解决这个问题，但由于融合模式过于简单，所以效果其实并不是太好。

一句话总结

每一层都用了两个方向的Bi-LSTM, 然后将每层的输出和原始word2vec Embedding拼接，然后将拼接后的向量线性加和得到最后的向量表示。

利用预训练的ELMO模型，训练下游任务时，分两步

对于下游任务的一句话 S
首先： S先走预训练好的ELMO网络，拿到该网络对该句话每个词的提取的特征，即Embeding向量。
然后： 利用第一步中得到的EMbeding向量在下游任务中，进行训练。 此时之前ELMO预训练的网络参数就不变了，仅用于提取特征。
反复执行上面两步。