文章目录

• 前言
• 一、词向量运算
• • 1.数据准备
  • 2.余弦相似度
  • 3.词类类比
• 二、表情生成器V1
• 三、表情生成器V2
• • 1.构造嵌入层embedding_layer
  • 2.Dataloader
  • 3.构造LSTM
  • 4.模型训练
  • 5.实验结果

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前言

  本博客只是记录一下本人在深度学习过程中的学习笔记和编程经验，大部分代码是参考了【中文】【吴恩达课后编程作业】Course 5 - 序列模型 - 第二周作业 - 词向量的运算与Emoji生成器这篇博客，对其代码实现了复现，但是原博客中代码使用的是tensorflow，而我在学习中主要用到的是pytorch，所以此次作业我使用pytorch框架来完成。代码或文字表述中还存在一些问题，请见谅，之前的博客也是主要参考这个大佬。下文中的完整代码已经上传到百度网盘中，提取码：00cz。
  所以开始作业前，请大家安装好pytorch的环境，我代码是在服务器上利用gpu加速运行的，但是cpu版本的pytorch也能运行，只是速度会比较慢。

一、词向量运算

1.数据准备

  训练得到词嵌入数据是需要消耗庞大的资源，这里我们就用已经训练好的glove词向量代替。
  读取glove英文词向量：

def read_glove_vecs(glove_file):
    """
    加载glove英文词向量
    :param glove_file: 文件路径
    :return:
    """
    with open(glove_file, 'r', encoding="utf-8") as f:
        words = set()
        word_to_vec_map = {}

        for line in f:
            line = line.strip().split()
            curr_word = line[0]
            words.add(curr_word)
            word_to_vec_map[curr_word] = np.array(line[1:], dtype=np.float64)
    return words, word_to_vec_map

words:列表类型数据，记录了词典中的全部词
word_to_vec_map:字典类型，构造"词-词向量"键值对，可以方便的查找指定词的词向量

  查看英文词向量：

words, word_to_vec_map = w2v_utils_pytorch.read_glove_vecs('data/glove.6B.50d.txt')
print(word_to_vec_map["hello"])

[-0.38497   0.80092   0.064106 -0.28355  -0.026759 -0.34532  -0.64253
-0.11729  -0.33257   0.55243  -0.087813  0.9035    0.47102   0.56657
0.6985   -0.35229  -0.86542   0.90573   0.03576  -0.071705 -0.12327
0.54923   0.47005   0.35572   1.2611   -0.67581  -0.94983   0.68666
0.3871   -1.3492    0.63512   0.46416  -0.48814   0.83827  -0.9246
-0.33722   0.53741  -1.0616   -0.081403 -0.67111   0.30923  -0.3923
-0.55002  -0.68827   0.58049  -0.11626   0.013139 -0.57654   0.048833
0.67204 ]

  glove中包含了40000个英文单词的词向量，每个词向量的维度是50维。在了解数据的基本情况后，可以运用这些词向量做一些简单的计算了。

2.余弦相似度

  根据余弦相似度的计算公式可以编程计算两个词的相似度情况，不清楚余弦相似度的可以自行百度：

def cosine_similarity(u, v):
    """
    计算两个词向量的余弦相似度
    :param u:单词u的词向量
    :param v:单词v的词向量
    :return:
    """
    dot = np.dot(u, v)
    norm_u = np.sqrt(np.sum(np.power(u, 2)))
    norm_v = np.sqrt(np.sum(np.power(v, 2)))

    distance = np.divide(dot, norm_v * norm_u)

    return distance

  简单计算一些词的余弦相似度：

words, word_to_vec_map = w2v_utils_pytorch.read_glove_vecs('data/glove.6B.50d.txt')

father = word_to_vec_map["father"]
mother = word_to_vec_map["mother"]
ball = word_to_vec_map["ball"]
crocodile = word_to_vec_map["crocodile"]
france = word_to_vec_map["france"]
italy = word_to_vec_map["italy"]
paris = word_to_vec_map["paris"]
rome = word_to_vec_map["rome"]

print("cosine_similarity(father, mother) = ", w2v_utils_pytorch.cosine_similarity(father, mother))
print("cosine_similarity(ball, crocodile) = ",w2v_utils_pytorch.cosine_similarity(ball, crocodile))
print("cosine_similarity(france - paris, rome - italy) = ",w2v_utils_pytorch.cosine_similarity(france - paris, rome - italy))

cosine_similarity(father, mother) =  0.8909038442893616
cosine_similarity(ball, crocodile) =  0.27439246261379424
cosine_similarity(france - paris, rome - italy) =  -0.6751479308174201

  可以看出约相似的词，其词向量在空间中的夹角越小，计算得到的余弦相似度就越大，这也说明了glove词向量的质量比较优秀。

3.词类类比

  当我们拥有优秀的词向量后可以完成词类类比任务：“A与B相比就类似于C与____相比一样”，比如：“男人与女人相比就像国王与 女皇 相比”。具体原理就是在词典中找到一个词D，使得vector(B)-vector(A) ≈ \approx ≈ vector(D)-vector©，依旧采用余弦公式计算两者的相似度。

def complete_analogy(word_a, word_b, word_c, word_to_vec_map):
    """
    词类比问题：解决“A与B相比就类似于C与____相比一样”问题，比如“男人与女人相比就像国王与 女皇 相比一样”
    其实就是在词库里面找到一个词word_d满足：word_b - word-a 与 word_d - word_c 近似相等
    :param word_a:词a
    :param word_b:词b
    :param word_c:词c
    :param word_to_vec_map:词典
    :return:
    """
    # 将单词转换为小写
    word_a, word_b, word_c = word_a.lower(), word_b.lower(), word_c.lower()

    # 找到单词的词向量
    e_a, e_b, e_c = word_to_vec_map[word_a], word_to_vec_map[word_b], word_to_vec_map[word_c]

    words = word_to_vec_map.keys()

    max_cosine_similarity = -100
    best_word = None

    # 遍历整个词典
    for word in words:
        if word in [word_a, word_b, word_c]:
            continue
        cosine_sim = cosine_similarity((e_b - e_a), (word_to_vec_map[word] - e_c))

        if cosine_sim > max_cosine_similarity:
            max_cosine_similarity = cosine_sim
            best_word = word

    return best_word

  简单测试一下：

triads_to_try = [('italy', 'italian', 'spain'), ('india', 'delhi', 'japan'), ('man', 'woman', 'boy'), ('small', 'smaller', 'large')]
for triad in triads_to_try:
    print('{} -> {} <====> {} -> {}'.format(*triad, w2v_utils_pytorch.complete_analogy(*triad, word_to_vec_map)))

italy -> italian <====> spain -> spanish
india -> delhi <====> japan -> tokyo
man -> woman <====> boy -> girl
small -> smaller <====> large -> larger

  可以看出，glove词向量处理词类类比任务时效果还是非常好的。
  原作业中提到了去除词向量中的偏见属于选学部分，本人还未完全理解，感兴趣的同学可以参考我前言中原博客中的内容。

二、表情生成器V1

  表情生成器其实就是情感分类，本质上是多分类问题。在原作业中想要打印表情符号需要安装emoji包，这里我简化一下问题，只针对情感分类任务。

  我们首先使用一个简单的前馈神经网络来完成这个分类任务，网络的结构如下：

1.将英文句子进行分词
2.将每个词转换成50维的glove向量，计算得到平均值，作为神经网络的输入
3.经过一层全连接层后，进行softmax操作，得到预测的分类结果

主控模型：

def model(X, Y, word_to_vec_map, learning_rate=0.01, num_iterations=400):
    np.random.seed(1)

    m = Y.shape[0]
    n_y = 5
    n_h = 50

    W = np.random.randn(n_y, n_h) / np.sqrt(n_h)
    b = np.zeros((n_y,))

    Y_oh = emo_utils.convert_to_one_hot(Y, C=n_y)

    for epoch in range(num_iterations):
        for i in range(m):
            avg = sentence_to_avg(X[i], word_to_vec_map)

            # 前向传播
            z = np.dot(W, avg) + b
            a = emo_utils.softmax(z)

            # 计算第i个训练的损失
            cost = -np.sum(Y_oh[i] * np.log(a))

            # 计算梯度
            dz = a - Y_oh[i]
            dW = np.dot(dz.reshape(n_y, 1), avg.reshape(1, n_h))
            db = dz

            # 更新参数
            W = W - learning_rate * dW
            b = b - learning_rate * db
        if epoch % 100 == 0:
            print("第{epoch}轮，损失为{cost}".format(epoch=epoch, cost=cost))
            pred = emo_utils.predict(X, Y, W, b, word_to_vec_map)
    return pred, W, b

计算平均词向量：

def sentence_to_avg(sentence, word_to_vec_map):
    """
    将句子转换为单词列表，提取Glove向量，取平均值
    :param sentence: 输入的句子
    :param word_to_vec_map: 词典
    :return:
    """
    # 将句子拆成单词列表
    words = sentence.lower().split()

    # 初始化均值向量
    avg = np.zeros(50, )

    for w in words:
        avg = avg + word_to_vec_map[w]
    avg = np.divide(avg, len(words))
    return avg

训练测试模型：

words, word_to_vec_map = w2v_utils_pytorch.read_glove_vecs('data/glove.6B.50d.txt')
pred, W, b = model(X_train, Y_train, word_to_vec_map)
print("=====训练集====")
pred_train = emo_utils.predict(X_train, Y_train, W, b, word_to_vec_map)
print("=====测试集====")
pred_test = emo_utils.predict(X_test, Y_test, W, b, word_to_vec_map)
X_my_sentences = np.array(
        ["i adore you", "i love you", "funny lol", "lets play with a ball", "food is ready", "you are not happy"])
Y_my_labels = np.array([[0], [0], [2], [1], [4], [3]])

pred = emo_utils.predict(X_my_sentences, Y_my_labels, W, b, word_to_vec_map)
emo_utils.print_predictions(X_my_sentences, pred)

训练结果如下：

第0轮，损失为1.952049881281007
Accuracy: 0.3484848484848485
第100轮，损失为0.07971818726014794
Accuracy: 0.9318181818181818
第200轮，损失为0.04456369243681379
Accuracy: 0.9545454545454546
第300轮，损失为0.03432267378786059
Accuracy: 0.9696969696969697
=====训练集====
Accuracy: 0.9772727272727273
=====测试集====
Accuracy: 0.8571428571428571

i adore you ❤️
i love you ❤️
funny lol