seq2seq原理介绍

视频介绍

一、介绍

Seq2Seq模型，即序列到序列模型，是一种深度学习架构，它能够接收一个序列作为输入，并通过特定的生成方法生成另一个序列作为输出。这种模型的一个关键特点是，输入序列和输出序列的长度可以是不同的，从而解决了传统循环神经网络（RNN）在处理不等长序列时的限制。

Seq2Seq模型通常采用编码器-解码器（Encoder-Decoder）结构，这也是其另一个常用的名称。在这个结构中，编码器负责将输入序列编码成一个固定长度的向量，这个向量捕捉了输入序列的语义信息。然后，解码器利用这个向量来生成输出序列。编码器和解码器通常都是基于RNN设计的，比如使用长短期记忆网络（LSTM）或门控循环单元（GRU）。
这种模型在自然语言处理（NLP）领域有着广泛的应用，如机器翻译、文本摘要、问答系统等，因为它能够处理输入和输出序列长度不匹配的问题，这在语言处理任务中是非常常见的。

这有点类似导游，导游需要帮助游客从一种语言（比如英语）理解另一种语言（比如中文）。在seq2seq模型中，导游就像一个“编码器”（encoder），任务是理解游客的问题（输入序列），并将其转换成一种通用的、抽象的形式。然后，导游再将这个抽象的问题传递给“解码器”（decoder），解码器就像一个翻译官，负责将这个抽象问题转换成目标语言（输出序列）。

或者你想让一个朋友帮你做一杯咖啡。你（编码器）会告诉你的朋友（解码器）你想要的咖啡类型（输入序列），比如“一杯加糖的拿铁”。你的朋友会理解你的要求，并制作出相应的咖啡（输出序列）。

二、基本原理

我们可以将Seq2Seq分解为几个关键部分：编码器（Encoder）、解码器（Decoder）和它们之间的连接。

1. 编码器（Encoder）：
   • 编码器的作用是将输入序列转换为一个固定长度的向量，这个向量包含了输入序列的语义信息。
   • 假设输入序列是 $(X=x_1,x_2,...,x_T)$，其中 $(x_t)$ 是序列中的第 ( t ) 个元素。
   • 编码器通常是一个循环神经网络（RNN），例如长短期记忆网络（LSTM）或门控循环单元（GRU）。在每一个时间步 $(t)$，RNN会根据当前的输入 $(x_t)$和上一个时间步的隐藏状态 $(h_{t-1})$ 计算出当前的隐藏状态 $(h_t)$。
   • 最后一个时间步的隐藏状态 $(h_T)$ 通常被视为整个输入序列的编码表示。
2. 解码器（Decoder）：
   • 解码器的作用是根据编码器提供的编码表示生成输出序列。
   • 假设输出序列是 $(Y=y_1,y_2,...,y_U)$，其中 $(y_u)$ 是序列中的第 $(u)$个元素。
   • 解码器同样是一个RNN，它在每一个时间步 ( u ) 根据上一个时间步的输出 $(y_{u-1})$和上一个时间步的隐藏状态 $(s_{u-1})$计算出当前的隐藏状态 $(s_u)$。
   • 解码器的输出 $(y_u)$ 通常是通过一个softmax层计算得到的，这个softmax层会根据当前的隐藏状态 $(s_u)$ 和编码器的输出 $(h_T)$ 计算出下一个元素的概率分布。
3. 连接（Connection）：
   • 编码器和解码器之间的连接通常是通过将编码器的最后一个隐藏状态 $(h_T)$ 作为解码器的初始隐藏状态 $(s_0)$ 来实现的。
   • 在某些改进的seq2seq模型中，比如注意力机制（Attention Mechanism），解码器在生成每一个元素时会考虑整个输入序列，而不仅仅是最后一个隐藏状态。

整个seq2seq模型的训练过程涉及到最小化损失函数，这个损失函数通常是基于输出序列和目标序列之间的差异来计算的，比如交叉熵损失。

三、解码器工作原理

解码器的输入通常包括以下几个关键参数：

1. 上一个时间步的输出：在解码器生成序列的每个时间步，它需要知道上一个时间步生成的元素。例如，如果我们在生成一个单词序列，那么在生成当前单词时，解码器需要知道上一个时间步生成的单词。
2. 隐藏状态：解码器是一个循环神经网络（RNN），它维护一个隐藏状态，这个状态包含了到目前为止生成序列的历史信息。在每一个时间步，解码器会根据上一个时间步的隐藏状态来生成当前时间步的输出。
3. 编码器的输出：解码器还需要访问编码器的输出，这通常是通过编码器的最后一个隐藏状态来实现的。

总结一下，解码器的输入包括上一个时间步的输出、隐藏状态、编码器的输出（在注意力模型中是上下文向量）。这些输入共同决定了解码器在当前时间步的输出。

四、问题：解码器的第一个时间节点的输入有哪些？

理论上在解码器的第一个时间步，由于还没有生成任何输出，所以没有上一个时间步的输出作为输入。因此，第一个时间步的输入相比于其他时间点确实少了一个参数，即上一个时间步的输出。

但是在实际NLP任务中，在橘子的起始位置会有一个特殊的标记，<sos> ，代表“Start Of Sentence”，即句子的开始。它用于指示一个序列的开始，特别是在序列到序列（Seq2Seq）模型中。

在Seq2Seq模型中， 标记作为解码器（Decoder）的输入序列的第一个元素。解码器接收到这个标记后，开始生成输出序列。这个标记帮助模型理解何时开始生成序列，并且在某些情况下，它还提供了关于序列的初始上下文信息。

所以在第一个时间步，解码器的输入通常包括：

1. 初始隐藏状态：这个隐藏状态可能来自于编码器的最后一个隐藏状态，或者是一个特殊的初始状态。
2. 编码器的输出：这通常是通过编码器的最后一个隐藏状态来实现的。在带有注意力机制的模型中，这个输出可能是一个上下文向量，它是输入序列的加权表示。
3. 特殊的开始符号：在某些实现中，解码器的第一个时间步会接收到一个特殊的开始符号（比如在机器翻译中，这可能是目标语言的一个开始标记），作为序列生成的起点。

在后续的时间步，解码器的输入将包括上一个时间步的输出、当前时间步的隐藏状态和编码器的输出（或上下文向量）。这样，解码器就能够根据这些输入逐步生成序列的下一个元素。

参考：https://dataxujing.github.io/seq2seqlearn/