关于 NLP 深度学习的核心流程

news2024/11/15 6:49:01

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基本流程实现的先后顺序（每一步都包含很多技术点）：

选定语言模型结构

关于语言模型：

作用
判断那一句话相对更合理，相对不合理的会得到较底的分值：
挑选成句概率分值最高的
评价指标：PPL（Perplexity）困惑度
- 评估一个语言模型在给定数据集上的预测效果
- PPL 值与成句概率成反比（PPL 越小，成句概率越高）
模型分类
- SLM 统计语言模型
  ngram
- NLM 神经语言模型（2003）
  RNN（循环神经网络）
  LSTM（RNN 进阶版）
  CNN（卷积神经网络）
  GRU
- PLM 预训练语言模型（2018）
  - 基于 Transformer 架构
    - BERT（预训练模型）
      生成式任务是逐词预测，bert 是预测缺失的词或者句子前后关系
    - GPT
      生成式模型
    - 一系列类 bert 模型
- LLM 大语言模型（2023）
  GhatGPT

收集标注数据

样本数据
预测数据

forward 正向传播

模型超参数随机初始化

训练轮数：epoch_num
每次训练样本个数：batch_size
样本文本长度：window_size
学习率：lr
隐藏层：hidden_size
模型层数：layer_num

构建词表
load_vocab
构建数据集
dataset
模型组成
1. 离散值连续化（可选）
  - Padding（可选）
    - 将不同长度的文本补齐或截断到统一长度
    - 使得不同长度的文本可以放在同一个batch内运算
    - 补齐所使用的token需要有对应的embedding向量
  - embedding 层
    - 作用：
      - 将字符转为向量
        将离散型的输入数据（如单词、类别等）映射到连续的向量空间中
      - 核心
        将离散值转化为向量
    - 形状：[vocab_dim, hidden_size]
      hidden_size 是embedding 的下一层模型的输入形状
2. 模型结构处理连续数据
3. pooling 池化层
  embedding 结果要先转置后才能 pooling
  embedding.transpose(1,2)
  - 作用
    - 降低后续网络层的输入维度
    - 缩减模型大小
      -提高计算速度
    - 提高鲁棒性，防止过拟合
  - 分类
    - 平均池化
    - 最大池化
4. 全连接层
  - 作用
    1. 将前面层提取到的特征进行组合和加权
    2. 参数可通过反向传播学习，适应不同数据和任务
    3. 提高模型的表示能力
      - 更好地捕捉数据中的复杂模式和关系
      - 通过堆叠多个全连接层，结合非线性激活函数，模型就可以学习更复杂的非线性映射
    4. 分类与回归
      - 分类任务中
        将特征映射到不同类别的概率分布上
        方便模型对输入进行分类
      - 回归任务中
        生成连续值的预测
  - 参数
    1. 权重（Weights）
      - 是模型中每个神经元或连接的参数
      - 权重矩阵定义了输入和输出之间的关系
    2. 偏置（Biases）
      额外参数，与权重一起用于计算激活函数的输入
5. 激活函数（可选）
  不会改变输入内容的形状
  - 作用
    1. 引入非线性变换
      - 全连接层仅可线性变换
      - 将激活函数结果传递给下一个全连接层，可在学习复杂任务时，更好的表达数据的抽象特征
    2. 约束输出范围
    3. 提高模型的数值稳定性
  - 常用激活函数
    - Sigmoid
    - tanh
      RNN 自带一个 tanh
    - Relu
      可以防止梯度消失问题
    - Gelu
6. Normalization 归一化层（可选）
  对输入数据进行归一化处理，使其具有零均值和单位方差，加速模型训练过程，提高模型稳定性和收敛速度
- 代码
  from torch.nn import BatchNorm1d
  self.bn1 = BatchNorm1d(50)
- 分类
  - 批量归一化 batch normalization
    对每一层的向量求平均，再求标准差，之后进行公式计算，获得可训练参数
    - 样本与其他样本归一化，适合 cv
    - 适合两张图片之间相似度评价
  - 层归一化 layer normalization
    纵向向量求平均，再求标准差，之后进行公式计算，获得可训练参数
    - 样本内进行归一化，适合 nlp
    - 适合文本
1. dropout 层（可选）
  - 代码
    from torch.nn import Dropout
    self.dropout = Dropout(0.5)
  - 是一种常用的正则化技术
    - 作用
      - 减少神经网络的过拟合
      - 提高模型的泛化能力
      - 强制网络学习更加健壮和泛化的特征
      - 减少神经元之间的依赖关系
      - 使得网络更加鲁棒
    - 在训练期间
      - 随机“丢弃”一些神经元
        以一定的概率（通常在0.2到0.5之间）随机地将隐藏单元的输出置为零
      - 保持总体期望值不变
        将其余值按比例进行缩放
    - 在测试期间
      Dropout不会应用，而是将所有神经元的输出乘以保留概率，以保持输出的期望值
获取预测值
计算 loss
是指预测值与样本真实值之间的loss计算。
- 常见 loss 函数
  - 均方差（MSE）
    回归场景
  - 交叉熵（Cross Entropy）
    分类场景
  - BCE 0/1损失
    分类场景，一般输入为 sigmod 的输出
  - 指数损失
  - 对数损失
  - Hinge损失

backward 反向传播

Optimizer 优化器
- Adam
  - SGD 进阶版
  - 在模型的权重没有收敛之前（没有训练到预期结果之前），不断循环计算，历史每轮的梯度都参与计算。
  - 可无脑选择使用的优化器。是非常好的baseLine，一般出问题，不会因为adam 出问题。
  - 特点
  - 实现
    - 一阶动量
      历史 n 轮梯度差值
    - 二阶动量
      历史 n 轮梯度的平方差
    - 避免由于一阶动量与二阶动量初始值为零向量，引起参数估计偏向于 0 的问题
      - 一阶动量偏差修正
        一阶动量历史累计值/(1-超参数 t 次方)
      - 二阶动量偏差修正
        二阶动量历史累计值/(1-超参数 t 次方)
    - 权重更新
- SGD
  计算逻辑：新权重 = 旧权重 - 学习率 * 梯度
1. optmi->梯度归零
  optimizer.zero_grad()
2. loss->反向传播，计算梯度
  loss.backward()
3. optim->更新权重
  optimizer.step()