NLP文字生成全解析：從傳統方法到預訓練完整介紹

techlead_krischang發表於2023-11-14

本文深入探討了文字生成的多種方法，從傳統的基於統計和模板的技術到現代的神經網路模型，尤其是LSTM和Transformer架構。文章還詳細介紹了大型預訓練模型如GPT在文字生成中的應用，並提供了Python和PyTorch的實現程式碼。

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1. 引言

1.1 文字生成的定義和作用

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文字生成是自然語言處理的一個核心子領域，它涉及使用模型來自動建立自然語言文字。這種生成可以是基於某些輸入的響應，如影像或其他文字，也可以是完全自主的創造。

文字生成的任務可以是簡單的，如自動回覆郵件，也可以是更復雜的，如編寫新聞文章或生成故事。它通常包括以下步驟：

  1. 確定目標和約束：明確生成文字的目標和約束條件，如風格、語言和長度等。
  2. 內容的生成：基於預定義的目標和約束條件來生成內容。
  3. 評價和最佳化：使用不同的評價指標來測試生成的文字，並進行必要的最佳化。

例子：

  • 自動回覆郵件：根據收到的郵件內容，系統可以生成一個簡短的、相關的回覆。
  • 新聞文章生成：利用已有的資料和資訊來自動生成新聞文章。
  • 故事生成：建立一個可以根據輸入的提示來生成故事的系統。

1.2 自然語言處理技術在文字生成領域的使用

自然語言處理技術為文字生成提供了強大的工具和方法。這些技術可以用於解析輸入資料、理解語言結構、評估生成文字的質量，以及最佳化生成過程。

  1. 序列到序列模型：這是一個廣泛應用於文字生成任務的框架，如機器翻譯和摘要生成。模型學習將輸入序列（如句子）轉化為輸出序列（如另一種語言的句子）。

  2. 注意力機制：在處理長序列時，注意力機制可以幫助模型關注輸入資料的關鍵部分，從而產生更準確的輸出。

  3. 預訓練語言模型：像BERT和GPT這樣的模型透過大量的文字資料進行預訓練，之後可以用於各種NLP任務，包括文字生成。

  4. 最佳化技術：如束搜尋和取樣策略，它們可以幫助生成更流暢、準確的文字。

例子：

  • 機器翻譯：使用序列到序列模型，將英語句子轉化為法語句子。
  • 生成摘要：利用注意力機制從長篇文章中提取關鍵資訊，生成簡短的摘要。
  • 文字填充：使用預訓練的GPT模型，根據給定的開頭生成一個完整的故事。

隨著技術的進步，自然語言處理技術在文字生成中的應用也越來越廣泛，為我們提供了更多的可能性和機會。

2 傳統方法 - 基於統計的方法

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在深度學習技術盛行之前，文字生成主要依賴於基於統計的方法。這些方法透過統計語料庫中的詞語和短語的頻率，預測下一個詞或短語的出現機率。

2.1.1 N-gram模型

定義：N-gram模型是基於統計的文字生成方法中的一種經典技術。它基於一個假設，即第N個詞的出現只與前面的N-1個詞有關。例如，在一個trigram（3-gram）模型中，下一個詞的出現只與前兩個詞有關。

例子：考慮句子 "我愛學習人工智慧"，在一個bigram（2-gram）模型中，"人工" 出現後的下一個詞可能是 "智慧"。

from collections import defaultdict, Counter
import random

def build_ngram_model(text, n=2):
    model = defaultdict(Counter)
    for i in range(len(text) - n):
        context, word = tuple(text[i:i+n-1]), text[i+n-1]
        model[context][word] += 1
    return model

def generate_with_ngram(model, max_len=20):
    context = random.choice(list(model.keys()))
    output = list(context)
    for i in range(max_len):
        if context not in model:
            break
        next_word = random.choices(list(model[context].keys()), weights=model[context].values())[0]
        output.append(next_word)
        context = tuple(output[-len(context):])
    return ' '.join(output)

text = "我 愛 學習 人工 智慧".split()
model = build_ngram_model(text, n=2)
generated_text = generate_with_ngram(model)
print(generated_text)

2.1.2 平滑技術

定義：在統計模型中，我們經常會遇到一個問題，即語料庫中可能有一些N-grams從未出現過，導致其機率為0。為了解決這個問題，我們使用平滑技術來為這些未出現的N-grams分配一個非零機率。

例子：使用Add-1平滑（Laplace平滑），我們將每個詞的計數加1，來保證沒有詞的機率為0。

def laplace_smoothed_probability(word, context, model, V):
    return (model[context][word] + 1) / (sum(model[context].values()) + V)

V = len(set(text))
context = ('我', '愛')
probability = laplace_smoothed_probability('學習', context, model, V)
print(f"P('學習'|'我 愛') = {probability}")

透過使用基於統計的方法，雖然我們可以生成文字，但這些方法有其侷限性，尤其是在處理長文字時。隨著深度學習技術的發展，更先進的模型逐漸取代了傳統方法，為文字生成帶來了更多的可能性。

3. 傳統方法 - 基於模板的生成

基於模板的文字生成是一種早期的文字生成方法，依賴於預定義的句子結構和詞彙來建立文字。這種方法雖然簡單直觀，但其生成的文字通常缺乏變化和多樣性。

3.1 定義與特點

定義：模板生成方法涉及到使用預先定義的文字模板和固定的結構，根據不同的資料或上下文填充這些模板，從而生成文字。

特點：

  1. 確定性：輸出是可預測的，因為它直接基於模板。
  2. 快速生成：不需要複雜的計算，只需簡單地填充模板。
  3. 侷限性：輸出可能缺乏多樣性和自然感，因為它完全基於固定模板。

例子：在天氣預報中，可以有一個模板：“今天在{城市}的最高溫度為{溫度}度。”。根據不同的資料，我們可以填充該模板，生成如“今天在北京的最高溫度為25度。”的句子。

def template_generation(template, **kwargs):
    return template.format(**kwargs)

template = "今天在{city}的最高溫度為{temperature}度。"
output = template_generation(template, city="北京", temperature=25)
print(output)

3.2 動態模板

定義：為了增加文字的多樣性，我們可以設計多個模板，並根據上下文或隨機性選擇不同的模板進行填充。

例子：針對天氣預報，我們可以有以下模板：

  1. “{city}今天的溫度達到了{temperature}度。”
  2. “在{city}，今天的最高氣溫是{temperature}度。”
import random

def dynamic_template_generation(templates, **kwargs):
    chosen_template = random.choice(templates)
    return chosen_template.format(**kwargs)

templates = [
    "{city}今天的溫度達到了{temperature}度。",
    "在{city}，今天的最高氣溫是{temperature}度。"
]

output = dynamic_template_generation(templates, city="上海", temperature=28)
print(output)

儘管基於模板的方法為文字生成提供了一種簡單和直接的方式，但它在處理複雜和多樣化的文字生成任務時可能會顯得力不從心。現代深度學習方法提供了更強大、靈活和多樣化的文字生成能力，逐漸成為主流方法。

4. 神經網路方法 - 長短時記憶網路(LSTM)

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長短時記憶網路（LSTM）是一種特殊的遞迴神經網路（RNN），專為解決長期依賴問題而設計。在傳統的RNN中，隨著時間步的增加，資訊的傳遞會逐漸變得困難。LSTM透過其特殊的結構來解決這個問題，允許資訊在時間步之間更容易地流動。

LSTM的核心概念

定義：LSTM的核心是其細胞狀態，通常表示為(C_t)。與此同時，LSTM包含三個重要的門：遺忘門、輸入門和輸出門，這三個門共同決定資訊如何被更新、儲存和檢索。

  1. 遺忘門：決定哪些資訊從細胞狀態中被遺忘或丟棄。
  2. 輸入門：更新細胞狀態，決定哪些新資訊被儲存。
  3. 輸出門：基於細胞狀態，決定輸出什麼資訊。

例子：假設我們正在處理一個文字序列，並想要記住某個詞彙的性別標記（如“他”或“她”）。當我們遇到一個新的代詞時，遺忘門可能會幫助模型忘記舊的性別標記，輸入門會幫助模型儲存新的標記，而輸出門則會在下一個時間步輸出這個標記，以保持序列的一致性。

PyTorch中的LSTM

使用PyTorch，我們可以輕鬆地定義和訓練一個LSTM模型。

import torch.nn as nn
import torch

# 定義LSTM模型
class LSTMModel(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim, num_layers):
        super(LSTMModel, self).__init__()
        self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, num_layers, batch_first=True)
        self.linear = nn.Linear(hidden_dim, output_dim)

    def forward(self, x):
        # 初始化隱藏狀態和細胞狀態
        h0 = torch.zeros(num_layers, x.size(0), hidden_dim).requires_grad_()
        c0 = torch.zeros(num_layers, x.size(0), hidden_dim).requires_grad_()
        out, (hn, cn) = self.lstm(x, (h0.detach(), c0.detach()))
        out = self.linear(out[:, -1, :])
        return out

input_dim = 10
hidden_dim = 20
output_dim = 1
num_layers = 1
model = LSTMModel(input_dim, hidden_dim, output_dim, num_layers)

# 一個簡單的例子，輸入形狀為 (batch_size, time_steps, input_dim)
input_seq = torch.randn(5, 10, 10)
output = model(input_seq)
print(output.shape)  # 輸出形狀為 (batch_size, output_dim)

LSTM由於其在處理時間序列資料，尤其是在長序列中保留關鍵資訊的能力，已經在多種自然語言處理任務中取得了顯著的成功，例如文字生成、機器翻譯和情感分析等。

5. 神經網路方法 - Transformer

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Transformer 是近年來自然語言處理領域的重要進展，它摒棄了傳統的遞迴和卷積結構，完全依賴自注意力機制來處理序列資料。

Transformer的核心概念

定義：Transformer 是一個基於自注意力機制的深度學習模型，旨在處理序列資料，如文字。其核心是多頭自注意力機制，可以捕捉序列中不同位置間的依賴關係，無論它們之間有多遠。

多頭自注意力：這是 Transformer 的關鍵部分。每個“頭”都學習序列中的不同位置的表示，然後將這些表示組合起來。

位置編碼：由於 Transformer 不使用遞迴或卷積，因此需要額外的位置資訊來了解序列中詞的位置。位置編碼將這種資訊新增到序列的每個位置。

例子：考慮句子 "The cat sat on the mat." 如果我們想強調 "cat" 和 "mat" 之間的關係，多頭自注意力機制使 Transformer 可以同時關注 "cat" 和距離較遠的 "mat"。

PyTorch中的Transformer

使用 PyTorch，我們可以使用現成的 Transformer 模組來定義一個簡單的 Transformer 模型。

import torch.nn as nn
import torch

class TransformerModel(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, nhead, num_encoder_layers, num_decoder_layers):
        super(TransformerModel, self).__init__()
        self.transformer = nn.Transformer(d_model, nhead, num_encoder_layers, num_decoder_layers)
        self.fc = nn.Linear(d_model, d_model)  # 示例中的一個簡單的線性層

    def forward(self, src, tgt):
        output = self.transformer(src, tgt)
        return self.fc(output)

d_model = 512
nhead = 8
num_encoder_layers = 6
num_decoder_layers = 6

model = TransformerModel(d_model, nhead, num_encoder_layers, num_decoder_layers)

# 示例輸入，形狀為 (sequence_length, batch_size, d_model)
src = torch.randn(10, 32, d_model)
tgt = torch.randn(20, 32, d_model)

output = model(src, tgt)
print(output.shape)  # 輸出形狀為 (tgt_sequence_length, batch_size, d_model)

Transformer 由於其強大的自注意力機制和並行處理能力，已經在多種自然語言處理任務中取得了突破性的成果，如 BERT、GPT 和 T5 等模型都是基於 Transformer 架構構建的。

6. 大型預訓練模型 - GPT文字生成機制

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近年來，大型預訓練模型如 GPT、BERT 和 T5 等已成為自然語言處理領域的標準模型。它們在多種任務上都展現出了卓越的效能，尤其在文字生成任務上。

大型預訓練模型的核心概念

定義：大型預訓練模型是透過在大量無標籤資料上進行預訓練的模型，然後在具體任務上進行微調。這種“預訓練-微調”正規化使得模型能夠捕捉到自然語言的豐富表示，併為各種下游任務提供一個強大的起點。

預訓練：模型在大規模文字資料上進行無監督學習，如書籍、網頁等。此時，模型學習到了詞彙、語法和一些常識資訊。

微調：在預訓練後，模型在特定任務的標記資料上進行有監督學習，如機器翻譯、文字生成或情感分析。

例子：考慮 GPT-3，它首先在大量的文字上進行預訓練，學習到語言的基本結構和資訊。然後，可以用很少的樣本或無需任何額外的訓練，直接在特定任務上生成文字。

關注TechLead，分享AI全維度知識。作者擁有10+年網際網路服務架構、AI產品研發經驗、團隊管理經驗，同濟本復旦碩，復旦機器人智慧實驗室成員，阿里雲認證的資深架構師，專案管理專業人士，上億營收AI產品研發負責人。
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TeahLead KrisChang，10+年的網際網路和人工智慧從業經驗，10年+技術和業務團隊管理經驗，同濟軟體工程本科，復旦工程管理碩士，阿里雲認證雲服務資深架構師，上億營收AI產品業務負責人。

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