斯坦福大學-自然語言處理入門 筆記 第十一課 最大熵模型與判別模型（2）

一、最大熵模型

1、模型介紹

• 基本思想：我們希望數據是均勻分佈的，除非我們有其他的限制條件讓給我們相信數據不是均勻分佈的。均勻分佈代表高熵（high entropy）。所以，最大熵模型的基本思想就是我們要找的分佈是滿足我們限制條件下，同時熵最高的分佈。
• 熵：表示分佈的不確定性的度量。就算公式如下：
  
• 舉例而言：拋一枚硬幣的熵如下圖，橫軸表示拋到正面的概率
  
• 特徵限制：放到實際場景來考慮這個問題的話，我們所找的分佈是在滿足特徵限制的情況下的最大熵分佈。特徵限制公式如下：
  
  • 添加特徵限制會導致：得到的分佈有更低的最大熵，但是提升它對數據的最大似然（likelihood）；使得分佈離均勻分佈更遠，但是會更接近數據的實際分佈。

2、例子介紹

• 例子1：拋硬幣問題，限制一是：P（拋正面）+P（拋反面）=1，限制二：P（拋正面）=0.3
  
• 例子2：已知一段文本中的元素的詞性以及對應的頻率，這個是我們的數據。基於此我們來尋找最大熵模型。
  
  

3、凸性

• 凸的定義，滿足如下公式的函數就表示該函數有凸性，凸性保證函數只有一個單獨的全局最大值。
  
• 基於凸的推導可得：有限制條件的熵是凸函數
  • -xlog(x)是凸函數；因爲凸函數的和也是凸函數，所以-∑xlog(x)是凸函數；限制條件是一個線性子空間，也是凸函數；所以有限制的熵就是凸函數。因此指數模型的最大似然也是凸的。

二、最大熵模型中的特徵重疊（overlap）

1、特徵重疊（overlap）

• 正如我們在之前論述的那樣（ Introduction to NLP by Chris & Dan翻譯 第八課 最大熵模型與判別模型 的第五節），重複的特徵對最大熵模型沒有影響，但是會對樸素貝葉斯產生影響。可以看到下面的例子中，兩個特徵都是A=2/3，對估計的結果沒有影響。
  
  從下面的例子中，我們也可以看到：Grace和<G這兩個特徵（用箭頭指的特徵）存在着一定程度的重疊，因此特徵Grace的權重就接近於0。
  

2、特徵交互（interaction）

• 如果想在最大熵模型中構建特徵交互項，我們就需要直接加入交互項特徵。例子如下：
  
  

3、特徵選擇

• 邏輯迴歸中的交互特徵選擇是用貪婪逐步搜索（greedy stepwise search)
• 但是隨着本身的特徵增長，可能有效的交互特徵是指數型增長的，所以這種選擇只在有4-8個特徵的時候是有效的。
• 在自然語言處理中，我們經常會使用到成百上千的特徵，所以我們不能使用這樣的選擇方法。
• 一般而言，交叉項是基於語言直覺（linguistic intuitions）直接選擇的。

三、條件和聯合指數模型的關聯

• 對聯合模型P(X)和條件模型P(C|D)而言，我們可以認爲C×D是一個複雜的X，其中
  • C比較小：2-100個種類
  • D非常巨大：文檔空間是很巨大的
• 我們構建模型P(C,D)，基於此我們計算特徵的期望
  
• D是無限的，但是就我們的數據而言，d是有限的。所以我們可以在這個模型 中加入一個特徵，並且對它進行限制以匹配我們的實證數據。
  
• 這樣大部分的P(c,d)就是0，這樣我們就可以把期望改寫成
  
• 這個改寫的途徑就是把P(c,d)改寫成下面的公式，也就是包含P(c|d)的模式
  
• 因此，實際上這兩個模型的關聯在於，條件模型實際上就是有邊界限制的聯合模型（這個限制是對觀察到的數據分佈的匹配）。

四、最大熵模型的平滑

1、爲什麼要進行平滑？

• 特徵很多：NLP最大熵模型有超過一百萬的特徵，即使對這些參數進行簡單的存儲都會導致很大的內存負擔。
• 稀疏很多：很容易導致過擬合，很多在訓練的時候用到的特徵可能在測試的時候不會再出現了。
• 優化問題：特徵的權重可能是無窮大，迭代去需要花很多時間才能到無窮大
• 舉例而言
  
  
  在上面的第三種情況中，會出現λ無窮大的情況，導致優化過程會非常漫長；並且它假設一直會出現正面，本身就沒意義。

2、平滑方法一：早停（early stopping）

• 在進行幾輪的迭代之後，停止優化。
  • λ值就不會無窮大（但是會很大）
  • 優化不會無窮無盡地進行下去了
  • 經常被用在早期的最大熵模型中

3、平滑方法二：先驗（priors（ MAP））

• 設定存在一個先驗期望：參數值不會很大。這樣我們就可以利用先驗（priors）來平衡實證導致的無窮大的參數，使其平滑。
• 實現方法：把優化目標改爲最大後驗似然
  
• 先驗（prior）項：高斯/二次/L2先驗
  • 基本思想：先驗期望是每個參數都遵循平均數爲μ方差爲σ²的高斯分佈。如果參數離他們的平均先驗值（通常μ=0）很遠的話就會對他們進行懲罰。
    
    對於σ²而言，它的作用是調節參數離開μ的容易程度，如果很小的話，會使得參數更容易接近0。一開始的時候，比較合適的值是σ²=1/2，後期可以再調整。
    
    我們可以把高斯先驗的優化目標寫爲：
    
    它的導數是：
    
  • 高斯先驗犧牲了一部分的期望匹配來獲得更小的參數。也就是那些有更多數據符合的特徵會有更高的權重。如下面的訓練數據所示，符合NNP特徵的數據比符合IN NNP特徵的數據多，因此NNP特徵的權重也更高。同時正確率也會提升。
    
• 例子：詞性標註
  
• 關於稱呼：在貝葉斯語境中我們一般稱之爲prior或者MAP估計。人們更常見的稱呼是正則，高斯先驗對應的稱呼是L₂正則。但是實際上這幾種稱呼對應的方法在數學上沒有區別。

4、平滑方法三：虛構數據（virtual data)

• 基本思想：平滑數據而不是平滑參數。這個方法和生成模型的加一平滑非常相似。
• 主要的問題是當特徵很多的時候，虛構數據會非常困難。
• 例子如下：
  

5、平滑方法四：計數切斷（count cutoff）

• 主要的想法就是直接把那些實證計數比較少的特徵丟掉
  • 非常弱和不直接的平滑方法
  • 相當於把這些特徵的權重改爲0
  • 相當於加入了一個平均值爲0方差爲0的高斯先驗
  • 丟掉的那些計數很少的特徵確實大部分是需要平滑的 ，同時它也降低了模型的規模加速了估計，但是和平滑相比它會傷害一定的準確性。
• 我們認爲儘量不要使用計數切斷，除非是基於內存的原因。