系列文章目录
第一章 1:同义词词典和基于计数方法语料库预处理
第一章 2:基于计数方法的分布式表示和假设，共现矩阵，向量相似度
第一章 3:基于计数方法的改进以及总结
第二章 1:word2vec
第二章 2:word2vec和CBOW模型的初步实现
第二章 3:CBOW模型的完整实现
第二章 4:CBOW模型的补充和skip-gram模型的理论
第三章 1:word2vec的高速化(CBOW的改进)
第三章 2:word2vec高速化(CBOW的二次改进)
第三章 3:改进版word2vec的学习以及总结
第四章 1:RNN(RNN的前置知识和引入)
第四章 2:RNN(RNN的正式介绍)
文章目录
目录
前言
上一次我们学习了最后的改进版word2vec的学习以及总结，(链接在此 自然语言处理（10:改进版word2vec的学习以及总结）-CSDN博客)，且到目前为止，我们看到的神经网络都是前馈型神经网络。前馈是指网络的传播方向是单向的。具体地说，先将输入信号传 给下一层（隐藏层），接收到信号的层也同样传给下一层，然后再传给下一 层......像这样，信号仅在一个方向上传播。 虽然前馈网络结构简单、易于理解，但是可以应用于许多任务中。不过， 这种网络存在一个大问题，就是不能很好地处理时间序列数据（以下简称为 "时序数据"）。更确切地说，单纯的前馈网络无法充分学习时序数据的性质（模式）。于是，RNN（Recurrent Neural Network，循环神经网络）便应运而生。
接下来这几节我们将指出前馈网络的问题，并介绍RNN如何很好地解决这些问 题。然后，我们会详细解释RNN的结构。
一、概率和语言模型
1.概率视角下的word2vec
我们先复习一下word2vec的CBOW模型。这里，我们来考虑由单词 序列w1,w2,···,wT 表示的语料库，将第t个单词作为目标词，将它左右的 （第t−1个和第t+1个）单词作为上下文。
注：目标词是指中间的单词，上下文是指目标词周围的单词。
且CBOW模型所做的事情就是从上下文（wt−1和wt+1） 预测目标词（wt）。
下面，我们用数学式来表示"当给定wt−1和wt+1时目标词是wt的概率"，如下式所示：
CBOW模型对上式这一后验概率进行建模。这个后验概率表示"当给定wt−1和wt+1时wt发生的概率"。这是窗口大小为1时的CBOW模型。 顺便提一下，我们之前考虑的窗口都是左右对称的。这里我们将上下文限定为左侧窗口，比如下图所示的情况。
在仅将左侧 2个单词作为上下文的情况下，CBOW模型输出的概率如下式所示：
为啥这里上下文只用了左侧的呢？(即左侧2个单词，右侧0个单词。)这样设定的理由是提前考虑了后面要说的语言模型。
使用上式的写法，CBOW模型的损失函数可以写成下式。下式 是从交叉熵误差推导出来的结果(参考前几节，因为重复多次了，这里直接给结果)
CBOW模型的学习旨在找到使上式表示的损失函数（确切地说， 是整个语料库的损失函数之和）最小的权重参数。只要找到了这样的权重参 数，CBOW模型就可以更准确地从上下文预测目标词。 像这样，CBOW模型的学习目的是从上下文预测出目标词。为了达成 这一目标，随着学习的推进，（作为副产品）获得了编码了单词含义信息的 单词的分布式表示。
那么，CBOW模型本来的目的"从上下文预测目标词"是否可以用来做些什么呢？
表示的概率是否可以在一些实际场景中发挥作用呢？说到这里，就要提一下语言模型了。
2.语言模型
语言模型（language model）给出了单词序列发生的概率。具体来说， 就是使用概率来评估一个单词序列发生的可能性，即在多大程度上是自然的单词序列。比如，对于"you say goodbye"这一单词序列，语言模型给出高概率（比如0.092）；对于"you say good die"这一单词序列，模型则给 出低概率（比如0.000 000 000 003 2）。 语言模型可以应用于多种应用，典型的例子有机器翻译和语音识别。比如，语音识别系统会根据人的发言生成多个句子作为候选。此时，使用语言模型，可以按照"作为句子是否自然"这一基准对候选句子进行排序。 语言模型也可以用于生成新的句子。因为语言模型可以使用概率来评价单词序列的自然程度，所以它可以根据这一概率分布造出（采样）单词。
现在，我们使用数学式来表示语言模型。这里考虑由m个单词w1,···, wm构成的句子，将单词按w1,···,wm的顺序出现的概率记为P(w1,···, wm)。因为这个概率是多个事件一起发生的概率，所以称为联合概率。
使用后验概率（概率论中的基本知识）可以将这个联合概率分解成如下形式（看不懂的话，看看博主前几篇文章，或者问deepseek，放心，不难）：（但是我回想起，这整个文章是一篇入门级，因此必须解释下，免不了内容多，还请见谅）
与表示总和的Σ（sigma）相对，式(5.4)中的Π（pi）表示所有元素相乘的乘积。如上式所示，联合概率可以由后验概率的乘积表示。 上式的结果可以从概率的乘法定理推导出来。这里我们花一点时间来说明一下乘法定理，并看一下它的推导过程。
首先，概率的乘法定理可由下式表示：
上式表示的乘法定理是概率论中最重要的定理，意思是"A和B两个事件共同发生的概率P(A,B)"是"B发生的概率P(B)"和"B发生后A发生的概率P(A|B)"的乘积（这个解释感觉上非常自然）。
（当然，概率P(A,B)也可以分解为P(A,B)=P(B|A)P(A)。也就 是说，根据将A和B中的哪一个作为后验概率的条件，存在 P(A, B) = P(B|A)P(A)和P(A,B) = P(A|B)P(B)两种表示 方法。）
使用这个乘法定理，m个单词的联合概率P(w1,···,wm)就可以用后 验概率来表示。为了便于理解，我们先将式子如下变形：
这里，将w1,···,wm−1整体表示为A。这样一来，按照乘法定理，可以推 导出上述式子右边。接着，再对A(w1,···,wm−1)进行同样的变形：
像这样，单词序列每次减少一个，分解为后验概率。然后，重复这一过程， 就可以推导出式
如上式所示，联合概率P(w1,···,wm)可以表示为后验概率的乘积 Π P(wt|w1,···,wt−1)。这里需要注意的是，这个后验概率是以目标词左侧的全部单词为上下文（条件）时的概率，如下所示：
这里我们来总结一下，我们的目标是求P(wt|w1,···,wt−1)这个概率。 如果能计算出这个概率，就能求得语言模型的联合概率P(w1,···,wm)。
（由P(wt|w1,···, wt−1)表示的模型称为条件语言模型（conditional language model），有时也将其称为语言模型。）
3.将CBOW模型用作语言模型？
那么，如果要把word2vec的CBOW模型（强行）用作语言模型，该怎么办呢？可以通过将上下文的大小限制在某个值来近似实现，用数学式可以如下表示：
这里，我们将上下文限定为左侧的2个单词。如此一来，就可以用CBOW 模型（CBOW模型的后验概率）近似表示。
上式是使用2个单词作为上下文的例子，但是这个上下文的大小可以设定为任意长度（比如5或10）。不过，虽说可以设定为任意长度，但必须是某个"固定"长度。比如，即便是使用左侧10个单词作为上下文的CBOW模型，其上下文更左侧的单词的信息也会被忽略，而这会导致问题， 如下图中的例子所示：
在上图的问题中，"Tom在房间看电视，Mary进了房间"。根据该语境（上下文），正确答案应该是Mary向Tom（或者"him"）打招呼。这里要获得正确答案，就必须将"?"前面第18个单词处的Tom记住。如果CBOW模型的上下文大小是10，则这个问题将无法被正确回答。 那么，是否可以通过增大CBOW模型的上下文大小（比如变为20或 30）来解决此问题呢？的确，CBOW模型的上下文大小可以任意设定，但 是CBOW模型还存在忽视了上下文中单词顺序的问题。
关于上下文的单词顺序被忽视这个问题，我们举个例子来具体说明。比如，在上下文是2个单词的情况下，CBOW模型的中间层是那2个单词向量的和，如下图所示：
如上图的左图所示，在CBOW模型的中间层求单词向量的和，因此上下文的单词顺序会被忽视。比如，(you, say)和(say, you)会被作为相同的内容进行处理。
我们想要的是考虑了上下文中单词顺序的模型。为此，可以像图5-5中 的右图那样，在中间层"拼接"（concatenate）上下文的单词向量。但是，如果采用拼接的方法，权重 参数的数量将与上下文大小成比例地增加。显然，这是我们不愿意看到的。
那么，如何解决这里提出的问题呢？这就轮到RNN出场了。RNN具有一个机制，那就是无论上下文有多长，都能将上下文信息记住。因此，使用RNN可以处理任意长度的时序数据。下一节，我们就来感受一下RNN的魅力。
总结（下一节正式RNN）
word2vec是以获取单词的分布式表示为目的的方法，因此一般不会用于语言模型。这里，为了引出RNN的魅力，我们拓展了话题，强行将word2vec的CBOW模型应用在了语言模型上。 word2vec和基于RNN的语言模型是由托马斯·米科洛夫团队分别在2013年和2010年提出的。基于RNN的语言模型虽然也能获得单词的分布式表示，但是为了应对词汇量的增加、提高分布式表示的质量，word2vec被提了出来。