PyTorch nn.Embedding() 嵌入详解

在对文本序列进行分词（tokenize）并映射后，字符串序列就转变为了数字（token id）序列，这些 token id 可以直接输入到模型中，但需要明白的是，模型并不能直接从一个纯粹的数字中获取丰富的信息。类比到人类的认知，我们理解一个字或词并不是仅靠符号，而是其背后的含义。

nn.Embedding 嵌入层

torch.nn.Embedding(num_embeddings, embedding_dim, padding_idx=None, max_norm=None, norm_type=2.0, scale_grad_by_freq=False, sparse=False, _weight=None, _freeze=False, device=None, dtype=None)

A simple lookup table that stores embeddings of a fixed dictionary and size.

一个简单的查找表，用于存储固定大小的字典中每个词的嵌入向量。

参数

num_embeddings (int): 嵌入字典的大小，即词汇表的大小 (vocab size)。
embedding_dim (int): 每个嵌入向量的维度大小。
padding_idx (int, 可选): 指定填充对应的索引值。该索引对应的嵌入向量在训练过程中不会更新，即梯度不参与反向传播，通常作为"填充"标记使用。对于新构建的 Embedding 模块，此索引的嵌入向量默认值为全零，但可以更改为其他值。
max_norm (float, 可选): 如果设置，超过此值的嵌入向量范数将被重新归一化，使其最大范数等于 max_norm。
norm_type (float, 可选): 用于计算 max_norm 的 p-范数，默认为 2，即计算 2 范数。
scale_grad_by_freq (bool, 可选): 如果为 True，梯度将根据单词在 mini-batch 中的频率的倒数进行缩放，适用于高频词的梯度调整。默认为 False。
sparse (bool, 可选): 如果设置为 True，则权重矩阵的梯度为稀疏张量，适合大规模词汇表的内存优化。

变量

weight (Tensor): 模块的可学习权重，形状为 (num_embeddings, embedding_dim)，初始值从正态分布 N(0, 1) 中采样。

方法

from_pretrained(embeddings, freeze=True, padding_idx=None, max_norm=None, norm_type=2.0, scale_grad_by_freq=False, sparse=False)

Create Embedding instance from given 2-dimensional FloatTensor.

用于从给定的 2 维浮点张量（FloatTensor）创建一个 Embedding 实例。

参数

embeddings (Tensor): 一个包含嵌入权重的 FloatTensor。第一个维度代表 num_embeddings（词汇表大小），第二个维度代表 embedding_dim（嵌入向量维度）。
freeze (bool, 可选): 如果为 True，则嵌入张量在训练过程中保持不变，相当于设置 embedding.weight.requires_grad = False。默认值为 True。
其余参数参考之前定义。

要点示例未完待续...（预计 11.6 前上传）

QA

Q1：对于神经网络来说，什么是"符号"及其"背后的含义"？

答案是：Token ID 和 Embedding。

那么，什么是 Embedding？

我们可以通过 PyTorch 中的 nn.Embedding 类来理解它，先跳过繁琐的介绍，运行代码来直观感受：

python 复制代码

import torch
import torch.nn as nn

# 设置随机种子以确保结果可复现
torch.manual_seed(42)

# 定义嵌入层参数
num_embeddings = 5  # 假设词汇表中有 5 个 token
embedding_dim = 3   # 每个 token 对应 3 维嵌入向量

# 初始化嵌入层
embedding = nn.Embedding(num_embeddings, embedding_dim)

# 定义整数索引
input_indices = torch.tensor([0, 2, 4])

# 查找嵌入向量
output = embedding(input_indices)

# 打印结果
print("权重矩阵：")
print(embedding.weight.data)
print("\nEmbedding 输出：")
print(output)

输出：

权重矩阵：
tensor([[ 0.3367,  0.1288,  0.2345],
        [ 0.2303, -1.1229, -0.1863],
        [ 2.2082, -0.6380,  0.4617],
        [ 0.2674,  0.5349,  0.8094],
        [ 1.1103, -1.6898, -0.9890]])

Embedding 输出：
tensor([[ 0.3367,  0.1288,  0.2345],
        [ 2.2082, -0.6380,  0.4617],
        [ 1.1103, -1.6898, -0.9890]], grad_fn=<EmbeddingBackward0>)

在这里，input_indices = [0, 2, 4] 从权重矩阵中选择第 0、2 和 4 行作为对应的嵌入表示。是的没错，Embedding 的获取就是这么简单。

接下来，构建一个 Embedding 类进行理解：

python 复制代码

class Embedding():
    def __init__(self, num_embeddings, embedding_dim):
        self.weight = torch.nn.Parameter(torch.randn(num_embeddings, embedding_dim))
        
    def forward(self, indices):
        return self.weight[indices]  # 没错，就是返回对应的行

可以看出，Embedding 类的本质是一个查找表（lookup table）。在上面的示例中，embedding.weight 中存储了 5 个（num_embeddings）嵌入向量，每个向量有 3 个维度（embedding_dim）。当提供 input_indices 时，查找表返回对应的嵌入向量（权重矩阵的行）。

Q2: 最初的权重矩阵是什么？最终的嵌入向量由什么决定？

最初的权重矩阵是一般随机初始化的，在训练过程中会更新权重，使其能有效地表达背后的含义。

Q3: 什么是语义？

举个简单的例子来理解"语义"关系：像"猫"和"狗"在向量空间中的表示应该非常接近，因为它们都是宠物；"男人"和"女人"之间的向量差异可能代表性别的区别。此外，不同语言的词汇，如"男人"（中文）和"man"（英文），如果在相同的嵌入空间中，它们的向量也会非常接近，反映出跨语言的语义相似性。同时，【"女人"和"woman"（中文-英文）】与【"男人"和"man"（中文-英文）】之间的差异也可能非常相似。

本文"狭义"地解读了与 Token id 一起出现的 Embedding，这个概念在自然语言处理（NLP）中有着更具体的称呼：Word Embedding。