Deep contextualized word representations

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传统word embeding

在读这篇论文之前，首先我们要了解word embeding存在的问题。通常word embeding是通过大型语料库预训练得出的一个v*m的大表，v是词的个数，m是用维度为m的向量来表示词。

word embeding的好处就在于可比较词的相似度，相近的两个词，它们的embeding越相近。

但是word embeding是一个静态的词表，也就是说一旦预训练完成，这个词的embeding就是确定的，但是在实际应用中，往往是需要结合语境的，尤其是一词多义，如单词bank

而在很长一段时间里，静态的word embeding都是非常重要的word表示方式，直到Elmo的出现，终于提供了一种deep contextualized word representation。

1. 可以表示句法和语法

2. 可以表示一词多义，对一词多义建模

不同于传统的word embeding, elmo representations are deep, in the sense that they are a function of all of the in- ternal layers of the biLM. More specifically, we learn a linear combination of the vectors stacked above each input word for each end task, which markedly improves performance over just using the top LSTM layer.

从paper中，我们可以了解到elmo结合了每层的表示，基于大规模语料训练后的双向语言模型内部隐状态特征的组合，并且在特定任务中可以微调。这篇论文还指出bilstm的high-level提取出了语境相关的含义，可以用于语义理解的任务，而low-level捕捉到了词性和句法，可以应用于一部分的语音标注中。

ELMO:Embeding from Language Models

在了解ELMO之前，首先需要了解下语言模型

给定一句话，这句话最终分词分为N个token，如s = (t1, t2, ..., tN )，则建立前向语言模型，s是一句话的概率可以表示为：

对tk, lstm的每层都会输出一个语境相关的表示

，j=(1,····L)，

表示最高层的输出，可以利用最高层,经过softmax层表示预测下一个tk+1。

前向语言模型的流程如下图：

同理，后向语言模型，s是一句话的概率可以表示为：

和前向语言模型类似，这里就不再重复描述。

将前向语言模型和后向语言模型结合起来就形成biLM。

其中两个方向的LSTM的参数不是共享的，

就是一开始输入的词向量，

就是softmax层参数。因此，双向语言模型的结构图如下：

对于每一个词

，一个L层的biLM可以计算出

个表达如下，

如果我们统一用

来表示biLM的每一层输出，

来表示第一层向量，其实就是传统的word embeding，那么整个表达可以统一表示为

而前面也说了，ELMO本质上就是一个任务导向的，双向语言模型（biLM）内部的隐状态层的组合。通用的表达式如下

其中，参数

，原论文说softmax-normalized weights，其实可以理解为L+1层的权值，类似于归一化处理。而

是用来控制ELMO模型生成的向量大小，该系数对于后续的模型优化过程有好处（在附件中，作者强调了这个参数的重要性，因为biLM的内核表达，与任务需要表达，存在一定的差异性，所以需要这么一个参数去转换。并且，这个参数对于就是只取最后一层尤其重要。

biLM在有监督的NLP任务中的使用

给定一个预训练好的elmo和某个有监督的nlp任务的网络结构，利用elmo提高当前任务的效果是非常简单的，首先在当前比较小的语料库中跑elmo，记录每个token在每一层的表示，然后让具体下游任务学习这些token表示的线性表示方式，其实就是学习参数

和参数

，然后再和原有的词向量层x拼接。以token = stick为例，正如下图所表示：

(To add ELMo to the supervised model, we first freeze the weights of the biLM and then concatenate the ELMo vector ELMo task with k xk and pass the ELMo enhanced representation[x ; ELMotask ] into the task RNN.)

在实验部分，作者实验了elmo的使用方式和使用位置

使用方式： 只用elmo的最后一层或者用多层的线性组合

使用位置：和传统的word embeding拼接在一起，作为输入

，或者将放在和hk

拼接作为下一层的输入。

ELMO中不同的层，能从不同的纬度表达一个词，作者经过实验发现，低层的输出能更好的从句法语法的层面表达一个词，而高层的输出能更好的从语意的层面表达一个词。