Forward-backward梯度求导(tensorflow word2vec实例)

  1. 考虑不可分的例子

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  1. 通过使用basis functions 使得不可分的线性模型变成可分的非线性模型

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  1. 最常用的就是写出一个目标函数 并且使用梯度下降法 来计算

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  1. 梯度的下降法的梯度计算

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  1. 关于线性和非线性的隐层

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非线性隐层使得网络可以计算更加复杂的函数

线性隐层不能增强网络的表述能力,它们被用来做降维,减少训练需要的参数数目,这在nlp相关的模型中

经常用到(embedding vector)

   

  1. 一个back prop的例子

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前向计算 Forward pass

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后向计算 Backward pass

激活梯度

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权重梯度

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来看一下计算某些变量的梯度,需要计算哪些其它变量

  • 如果要计算从单元A到单元Bweight的梯度需要哪些信息?

    参考上面的

    需要 A的激活梯度 B的反向传播的梯度

另外一些需要了解的

  • 许多梯度计算都是0 这是因为我们采用了线性矫正来作为非线性单元
  • 有一些梯度计算出来比其它的大很多,这回造成连乘后传递扩大,这是所谓的"梯度爆炸"

   

   

  1. forward-backward的实例(word2vec)

考虑tensorflow实现的word2vec,tensorflow是可以自动求导的,但是你也可以自己来写这一部分

Word2vec_optimized.py就是自己实现的forward-backward步骤(手写),采用true sgd

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看一下代码

# Training nodes.

inc = global_step.assign_add(1)

with tf.control_dependencies([inc]):

train = word2vec.neg_train(

w_in, #上图中左面的w,将在negtrain中被改变

w_out, #上图中右面的w,将在negtrain中被改变

examples, # 中心词编号数组,长度为batch_size

labels, # 周围词 surronding word 编号数组

lr, #学习率 learning rate

vocab_count=opts.vocab_counts.tolist(), #每个词的频次数组

num_negative_samples=opts.num_samples #负样本采样数目

)

   

   

REGISTER_OP("NegTrain")

.Input("w_in: Ref(float)") //Ref传递引用

.Input("w_out: Ref(float)")

.Input("examples: int32")

.Input("labels: int32")

.Input("lr: float")

.Attr("vocab_count: list(int)")

.Attr("num_negative_samples: int")

.Doc(R"doc(

Training via negative sampling.

   

w_in: input word embedding.

w_out: output word embedding.

examples: A vector of word ids.

labels: A vector of word ids.

vocab_count: Count of words in the vocabulary.

num_negative_samples: Number of negative samples per exaple.

)doc");

   

// Gradient accumulator for v_in.

Tensor buf(DT_FLOAT, TensorShape({dims}));

auto Tbuf = buf.flat<float>();

   

// Scalar buffer to hold sigmoid(+/- dot).

Tensor g_buf(DT_FLOAT, TensorShape({}));

auto g = g_buf.scalar<float>();

   

// The following loop needs 2 random 32-bit values per negative

// sample. We reserve 8 values per sample just in case the

// underlying implementation changes.

auto rnd = base_.ReserveSamples32(batch_size * num_samples_ * 8);

random::SimplePhilox srnd(&rnd);

   

for (int64 i = 0; i < batch_size; ++i) {

const int32 example = Texamples(i);

DCHECK(0 <= example && example < vocab_size) << example;

const int32 label = Tlabels(i);

DCHECK(0 <= label && label < vocab_size) << label;

auto v_in = Tw_in.chip<0>(example);

   

//正样本label 1 负样本label -1,累积误差 这里应该是按照MLE 最大化可能概率 所以是累加梯度,参考ng课件

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nce的做法,转化为二分类问题

   

// Positive: example predicts label.

// forward: x = v_in' * v_out

// l = log(sigmoid(x))

// backward: dl/dx = g = sigmoid(-x)

// dl/d(v_in) = (dl/dx)*(dx/d(v_in)) = g * v_out'

// dl/d(v_out) = (dl/dx)*(dx/d(v_out)) = v_in' * g

{

auto v_out = Tw_out.chip<0>(label);

auto dot = (v_in * v_out).sum();

g = (dot.exp() + 1.f).inverse();

Tbuf = v_out * (g() * lr);

v_out += v_in * (g() * lr);

}

   

// Negative samples:

// forward: x = v_in' * v_sample

// l = log(sigmoid(-x))

// backward: dl/dx = g = -sigmoid(x)

// dl/d(v_in) = g * v_out'

// dl/d(v_out) = v_in' * g

for (int j = 0; j < num_samples_; ++j) {

const int sample = sampler_->Sample(&srnd);

if (sample == label) continue; // Skip.

auto v_sample = Tw_out.chip<0>(sample);

auto dot = (v_in * v_sample).sum();

g = -((-dot).exp() + 1.f).inverse();

Tbuf += v_sample * (g() * lr);

v_sample += v_in * (g() * lr);

}

   

// Applies the gradient on v_in.

v_in += Tbuf;

}

   

   

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