研究生課程自然語言處理課件language model

戴新宇20172023/1/91語言模型LanguageModel計算一句話的概率2023/1/92LanguageModel機器翻譯小朋友們在公園里玩。Thekidsplayinthepark.√Thekidsparkplay.Onparkplaythekids.2023/1/93語言模型翻譯模型LanguageModel語音識別e.g.聽歌曲，識別歌詞2023/1/94語言模型聲學(xué)模型5StatisticalLanguageModel定義：語言模型是用來刻畫一個句子（詞串序列）存在可能性的概率模型P(W)=P(w1w2…wn)如何計算P(W)，不同的語言模型有不同的算法例子：P(“我在打電話”)≈0.001P(“我在打蘋果”)≈0.000001P(“蘋果在我打”)≈0.000000001P(電話|我，在，打)≈0.056最簡單的統(tǒng)計語言模型－N-GramP(W)=P(w1w2…wn)=P(w1)*P(w2|w1)*P(w3|w1w2)…P(wn|w1w2…wn-1)History-basedModel:predictfollowingthingsfrompastthingsShannonGame:ImpracticaltoconditiononeverythingbeforeP(???|Turntopage134andlookatthepictureofthe)?7馬爾可夫假設(shè)（MarkovAssumption）有限視野假設(shè)(LimitedHorizon)當(dāng)前詞出現(xiàn)的概率只和它前面的k個詞相關(guān)上式我們稱之為k階馬爾可夫鏈e.g.1階馬爾可夫鏈

2階馬爾可夫鏈8N-GramN-1階馬爾可夫鏈我們稱之為N元語言模型（N-GramLanguageModel）2元模型3元模型Eachwordispredictedaccordingtoaconditionaldistributionbasedonalimitedcontext9N-Gram簡單的線性圖模型詞是隨機變量，箭頭表示詞之間的依存關(guān)系SimplemodelAmazingsuccess.10N-Gram模型參數(shù)參數(shù)數(shù)量：n越大，參數(shù)越多，假設(shè)詞匯量為200002元模型(1階Markov)參數(shù)數(shù)量：2000023元模型(2階Markov)參數(shù)數(shù)量：200003…N元模型(N-1階Markov)參數(shù)數(shù)量：20000n11N-Gram參數(shù)估計計算每一組的P(w|h)（2元為例）P(我想吃意大利空心粉)＝P(我|<s>)*P(想|我)*P(吃|想)*P(意大利|吃)*P(空心粉|意大利)＝0.25*0.32*0.26*0.002*0.6=0.000016參數(shù)來源（訓(xùn)練數(shù)據(jù)）：大量電子文本（漢語需分詞）訓(xùn)練數(shù)據(jù)：用于建立模型的給定語料參數(shù)估計：相對頻率（最大似然）估計12最大似然估計

－MaximumLikelihoodEstimationAsimplebutimportantidea:Choosethealternativethatmaximizetheprobabilityoftheobservedoutcome.（對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的最佳估計）假設(shè)：樣本空間越大，最大似然估計值越接近于真實分布統(tǒng)計學(xué)上稱之為似然函數(shù)，之所以稱為最大似然估計，是因為它選擇的參數(shù)值對于訓(xùn)練數(shù)據(jù)給出了最高的概率。Pleasereferto問題：相對頻率≈最大似然估計？131415ZipfLawZipfLaw:如果以詞頻排序，詞頻和排位的乘積是一個常數(shù)。

f*r=k16Zipf’slawfortheBrowncorpus17ZipflawforChineseCorpus18ZipfLaw(續(xù))Zipf法則隱含的意義：大部分的詞都稀有語言中頻繁出現(xiàn)的事件是有限的，不可能搜集到足夠的數(shù)據(jù)來得到稀有事件的完整概率分布。詞（一元）如此，對于二元、三元模型更加嚴(yán)重Zeroprobability，零概率還會向下傳播一個2元或者3元文法的零概率，會導(dǎo)致整個句子的零概率However,統(tǒng)計方法的一個特點是：Nothingisimpossible.So,數(shù)據(jù)稀疏問題永遠存在19數(shù)據(jù)稀疏（零概率）數(shù)據(jù)稀疏問題：沒有足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對于未觀測到的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)零概率現(xiàn)象Balh等人的工作用150萬詞的訓(xùn)練語料訓(xùn)練trigram模型測試語料（同樣來源）中，23％的trigram沒有在訓(xùn)練庫中出現(xiàn)過對這23％未出現(xiàn)的trigram，利用MLE估計出的參數(shù)為0解決方案構(gòu)造等價類參數(shù)平滑20參數(shù)平滑-Smoothing平滑是指給沒觀察到的N元組合賦予一個概率值，以保證詞序列總能通過語言模型得到一個概率值。思想：稍微減少已觀察到的事件概率的大小，同時把少量概率分配到?jīng)]有看到過的事件上，折扣法，使整個事件空間的概率分布曲線更加平滑。改進模型的整體效果。高概率調(diào)低點，小概率或者零概率調(diào)高點?！敖俑粷殹奔s束：Anyway,ensure∑X∈?P(X)=1平滑算法的評估－通過語言模型評估Smoothing2122SmoothingAddcounts,簡單，效果不好Laplacesmoothing/DirichletPrior簡單線性插值平滑KatzSmoothing,Kneser-NeySmoothing……23Add-OneSmoothing24統(tǒng)計語言模型數(shù)據(jù)集分類訓(xùn)練集TrainingData用來建立模型，獲得模型參數(shù)測試集TestData從訓(xùn)練集以外獨立采樣反映系統(tǒng)面對真實世界的處理能力交叉確認集Cross-ValidationData從訓(xùn)練集和測試集以外獨立采樣主要用來幫助做設(shè)計決策和參數(shù)設(shè)定(hyperparameters)Cross-ValidationSet又稱為held-outdata、developmentdata幫助選擇參數(shù)，優(yōu)化模型的泛化能力25TrainingDataTestDataTrainingDataTestDataHold-OutData26模型評價兩個語言模型S1和S2（或者是經(jīng)過兩種不同的平滑方法得到的兩個模型S1和S2），哪個更好？直接放入需要語言模型的任務(wù)中，如SMT，SR，看哪個效果更好？困惑度(Perplexity)：對測試集存在的概率Perplexityistheprobabilityofthetestdata,normalizedbythenumberofwords:模型評價熵(entropy):loglikelihoodperwordintestdata。X是測試集，x是測試集中的每個句子熵與困惑度的關(guān)系2023/1/927Data>>MethodsHavingmoredataisbetter......butsoisusingabetterestimatorAnotherissue:N>3hashugecostsinspeechrecognizers2023/1/92829N-Grammodel在很多方面取得了成功（Chelba1998,Charniak2001）SpeechRecognitionOCRContext-sensitivespellingcorrection從語言具有的特性看，顯得過于簡單和幼稚LexicalNolongdistancedependenciesNostructureorsyntacticdependency其它的語言模型

（不同的計算P(W)的方法）2023/1/930LanguageModel31Theproblemtobesolved: Giveasentence,howlikelyisthesentence?Inmathematicalterms,andwecanfactorizethejointprobabilitybasedonconditionalprobability:Oneexample:FromN-gramtoNeuralLanguageModel32k-thorderMarkovassumption:Non-parametricEstimator,forexample,bigram:ParametricEstimator:Inotherwords:Advantagesanddisadvantages:1，Simpleandstrong2，Datasparsity3，Lackofgeneralizationuseafunctiontocalculatetheprobabilityofthei-thwordAdvantagesanddisadvantages:1，Highcomplexitybutisthestateofart2，AutofeatureextractionandgeneralizationpowerFirstPropose33Thisistheclassicneurallanguagemodel，proposedbyBengioetal(2003).EmbeddingLayer:generateswordem-beddings(by-product).IntermediateLayer:oneormorelayersthatproduceanintermediaterepresen-tationoftheinput(non-linearity).SoftmaxLayer:producesaprobabilitydistributionoverwordsin

vocabulary.Word2vec34Thisworkletwordembeddingbecomepopular,proposedbyMikolov(2013).Mathematicalterms(cbow&skip-gram):構(gòu)建語言模型SomeavailabletoolkitsCMUlanguagemodeltoolkitSRILanguagemodeltoolkitLemurlanguagemodeltoolkitNeuralNe