七、自然语言处理的进阶序列模型

本文标题：Natural-Language-Processing-with-PyTorch（七）

文章作者：Yif Du

发布时间：2018 年 12 月 26 日 - 09:12

最后更新：2018 年 12 月 28 日 - 11:12

原始链接：http://yifdu.github.io/2018/12/26/Natural-Language-Processing-with-PyTorch（七）/

许可协议：署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际 转载请保留原文链接及作者。

本章的目标是序列预测。序列预测任务要求我们对序列中的每一项进行标记。这类任务在自然语言处理（NLP）中很常见。一些例子包括语言建模（参见图 7-1），在语言建模中，我们在每个步骤中给定单词序列预测下一个单词;词性标注的一部分，对每个词的语法词性进行预测;命名实体识别，我们预测每个词是否属于一个命名实体，如人、位置、产品、组织;等等。有时，在 NLP 文献中，序列预测任务也被称为序列标记。

虽然理论上我们可以使用第六章中介绍的 Elman 循环神经网络（RNNs）进行序列预测任务，但是在实际应用中，它们并不能很好地捕捉到长期的依赖关系，并且表现不佳。在本章中，我们将花一些时间来理解为什么会这样，并学习一种新的 RNN 架构，称为门控网络。

我们还介绍了自然语言生成作为序列预测应用的任务，并探讨了输出序列在某种程度上受到约束的条件生成。

原始 RNN（Elman RNNs）的问题

尽管在第 6 章中讨论的普通 RNN/Elman-RNN 非常适合于建模序列，但它有两个问题使其不适用于许多任务:无法保留用于长期预测的信息，以及梯度稳定性。为了理解这两个问题，回想一下，在它们的核心，rnn 在每个时间步上使用前一个时间步的隐藏状态向量和当前时间步上的输入向量计算一个隐藏状态向量。正是这种核心计算使得 RNN 如此强大，但也产生了大量的数值问题。

Elman RNNs 的第一个问题是很难记住长期的信息。例如，在第 6 章的 RNN 中，在每次步骤中，我们仅仅更新隐藏的状态向量，而不管它是否有意义。因此，RNN 无法控制隐藏状态中保留的值和丢弃的值，而这些值完全由输入决定。直觉上，这是说不通的。我们希望 RNN 通过某种方式来决定更新是可选的，还是发生了更新，以及状态向量的多少和哪些部分，等等。

Elman RNNs 的第二个问题是，它们会导致梯度螺旋地失去控制，趋近于零或无穷大。不稳定的梯度，可以螺旋失控被称为消失梯度或爆炸梯度取决于方向梯度的绝对值正在收缩/增长。梯度绝对值非常大或非常小（小于 1）都会使优化过程不稳定（Hochreiter et al.， 2001;Pascanu et al.， 2013）。

在一般的神经网络中，有解决这些梯度问题的方法，如使用校正的线性单元（relu）、梯度裁剪和小心初始化。但是没有一种解决方案能像门控技术那样可靠地工作。

原始 RNN 的挑战的门控解决方案

为了直观地理解门控，假设您添加了两个量，a和b，但是您想控制b放入和的多少。数学上，你可以把a + b的和改写成a+λb，λ是一个值在 0 和 1 之间。如果λ = 0,b没有贡献，如果λ = 1,b完全贡献。这种方式看,你可以解释λ充当一个“开关”或“门”控制的b进入之和。这就是门控机制背后的直觉。现在，让我们重新访问 Elman RNN，看看如何将门控与普通的 RNN 合并以进行条件更新。如果前面的隐藏状态是h[t−1]和当前输入x[t], Elman RNN 的周期性更新看起来像

其中F是 RNN 的递归计算。显然，这是一个无条件的和，并且有“原始 RNNs（或 Elman RNNs）的问题”中描述的缺点。现在想象一下,替代常数,如果前面的例子的λ是一个函数之前的隐藏状态向量h[t−1]和当前输入x[t],而且还产生所需的控制行为;也就是说，0 到 1 之间的值。通过这个门控函数，我们的 RNN 更新方程如下:

现在就清楚函数λ控制当前输入的多少可以更新状态h[t−1]。进一步的函数λ是上下文相关的。这是所有门控网络的基本直觉。λ的函数通常是一个 s 形的函数,我们知道从第三章到产生一个值在 0 和 1 之间。

在长短期记忆的情况下,这个基本的直觉是扩展仔细将不仅条件更新,而且还故意忘记之前的隐藏状态h[t−1]的值。这种“忘记”乘以发生前隐藏状态与另一个函数μ值h[t−1],还产生值在 0 和 1 之间,取决于当前的输入:

您可能已经猜到,μ是另一个控制功能。在实际的 LSTM 描述中，这变得很复杂，因为门函数是参数化的，导致对未初始化的操作的复杂序列。但是，在掌握了本节的直观知识之后，如果您想深入了解 LSTM 的更新机制，现在就可以了。我们推荐 Christopher Olah 的经典文章。在本书中，我们将不涉及这些内容，因为这些细节对于 LSTMs 在 NLP 应用程序中的应用和使用并不是必需的。

LSTM 只是 RNN 的许多门控变体之一。另一种越来越流行的门控变量是门控循环单元（GRU;Chung et al.， 2015）。幸运的是，在 PyTorch 中，您可以简单地替换nn。RNN 或神经网络。RNNCell nn。LSTM 和神经网络。LSTMCell没有其他代码更改来切换到 LSTM（为 GRU 做必要的修改）！

门控机制是“普通 RNNs（或 Elman RNNs）问题”中列举的问题的有效解决方案。它不仅可以控制更新，还可以控制梯度问题，使训练相对容易。不再赘述，我们将使用两个示例来展示这些封闭体系结构的实际应用。

示例：用于生成姓氏的字符 RNN

在本例中，我们将完成一个简单的序列预测任务:使用 RNNs 生成姓氏。在实践中，这意味着对于每个时间步骤，RNN 都在计算姓氏中可能的字符集的概率分布。使用这些概率分布，我们可以优化网络来改进它的预测（假设我们知道应该预测哪些字符），也可以使用它们来生成全新的姓氏!

虽然这个任务的数据集已经在前面的例子中使用过，看起来很熟悉，但是在构建用于序列预测的每个数据样本的方式上有一些不同。在描述了数据集和任务之后，概述了支持通过系统簿记进行序列预测的数据结构。

在描述了数据集、任务和支持数据结构之后，我们引入了两个生成姓氏的模型:无条件姓氏生成模型和条件姓氏生成模型。该模型在不了解姓氏的情况下，对姓氏序列进行预测。与此相反，条件模型利用特定的国籍嵌入作为 RNN 的初始隐藏状态，从而使模型对序列的预测产生偏差。

SurnamesDataset

姓氏数据集是姓氏及其来源国的集合，最早出现在“带有多层感知器的姓氏分类”中。到目前为止，该数据集已经被用于一个分类任务——给出一个新的姓氏，正确地将姓氏来自哪个国家。然而，在本例中，我们将展示如何使用数据集来训练一个模型，该模型可以为字符序列分配概率并生成新的序列。

SurnamesDataset类与前几章基本相同:我们使用 panda DataFrame加载数据集，并构造了一个向量化器，它将标记封装为模型和手边任务所需的整数映射。为了适应任务的不同，修改了SurnamesDataset.__getitem__()方法，以输出预测目标的整数序列，如示例 7-1 所示。该方法引用向量器来计算作为输入的整数序列（from_vector）和作为输出（to_vector）的整数序列。下一小节将描述向量化的实现。

示例 7-1：用于序列预测任务的SurnamesDataset.__getitem__方法

class SurnameDataset(Dataset):
    @classmethod
    def load_dataset_and_make_vectorizer(cls, surname_csv):
        """Load dataset and make a new vectorizer from scratch

        Args:
            surname_csv (str): location of the dataset
        Returns:
            an instance of SurnameDataset
        """

        surname_df = pd.read_csv(surname_csv)
        return cls(surname_df, SurnameVectorizer.from_dataframe(surname_df))

    def __getitem__(self, index):
        """the primary entry point method for PyTorch datasets

        Args:
            index (int): the index to the data point
        Returns:
            a dictionary holding the data point: (x_data, y_target, class_index)
        """
        row = self._target_df.iloc[index]

        from_vector, to_vector = \
            self._vectorizer.vectorize(row.surname, self._max_seq_length)

        nationality_index = \
            self._vectorizer.nationality_vocab.lookup_token(row.nationality)

        return {'x_data': from_vector,
                'y_target': to_vector,
                'class_index': nationality_index}

向量化数据结构

与前面的示例一样，有三种主要的数据结构将每个姓氏的字符序列转换为其向量化形式:SequenceVocabulary将单个标记映射到整数，SurnameVectorizer协调整数映射，DataLoader将SurnameVectorizer的结果分组为小批。由于DataLoader实现及其使用在本例中保持不变，我们将跳过其实现细节。

SURNAMEVECTORIZER和END-OF-SEQUENCE

对于序列预测任务，编写训练例程以期望在每个时间步骤中出现两个表示标记观察和标记目标的整数序列。通常，我们只想预测我们正在训练的序列，例如本例中的姓氏。这意味着我们只有一个标记序列可以使用，并通过调整这个标记序列来构造观察和目标。

为了将其转化为序列预测问题，使用SequenceVocabulary将每个标记映射到其适当的索引。然后，序列的起始标记索引begin_seq_index位于序列的开头，而序列的结束标记索引end_seq_index位于序列的末尾。此时，每个数据点都是一系列索引，具有相同的第一个和最后一个索引。要创建训练例程所需的输入和输出序列，我们只需使用索引序列的两个切片:第一个切片包含除最后一个之外的所有标记索引，第二个切片包含除第一个之外的所有标记索引。当排列和配对在一起时，序列就是正确的输入-输出索引。

为了更明确，我们展示了SurnameVectorizer的代码。在示例 7-2 中向量化。第一步是将姓氏（字符串）映射到索引（表示这些字符的整数列表）。然后，用序列索引的开始和结束来包装索引:具体来说，begin_seq_index在索引之前，end_seq_index在索引之后。接下来，我们测试vector_length，它通常在运行时提供，但是代码的编写允许向量的任何长度。在训练期间，提供vector_length是很重要的，因为小批是由堆叠的向量表示构造的。如果向量的长度不同，它们不能堆放在一个矩阵中。在测试vector_length之后，创建两个向量:from_vector和to_vector。不包含最后一个索引的索引片放在from_vector中，不包含第一个索引的索引片放在to_vector中。每个向量的剩余位置都填充了mask_index。将序列填充（或填充）到右边是很重要的，因为空位置将改变输出向量，我们希望这些变化发生在序列被看到之后。

示例 7-2：序列预测任务中的SurnameVectorizer.vectorize代码区

class SurnameVectorizer(object):
    """ The Vectorizer which coordinates the Vocabularies and puts them to use"""    
    def vectorize(self, surname, vector_length=-1):
        """Vectorize a surname into a vector of observations and targets

        Args:
            surname (str): the surname to be vectorized
            vector_length (int): an argument for forcing the length of index vector
        Returns:
            a tuple: (from_vector, to_vector)
                from_vector (numpy.ndarray): the observation vector
                to_vector (numpy.ndarray): the target prediction vector
        """
        indices = [self.char_vocab.begin_seq_index]
        indices.extend(self.char_vocab.lookup_token(token) for token in surname)
        indices.append(self.char_vocab.end_seq_index)

        if vector_length < 0:
            vector_length = len(indices) - 1

        from_vector = np.zeros(vector_length, dtype=np.int64)         
        from_indices = indices[:-1]
        from_vector[:len(from_indices)] = from_indices
        from_vector[len(from_indices):] = self.char_vocab.mask_index

        to_vector = np.empty(vector_length, dtype=np.int64)
        to_indices = indices[1:]
        to_vector[:len(to_indices)] = to_indices
        to_vector[len(to_indices):] = self.char_vocab.mask_index

        return from_vector, to_vector

    @classmethod
    def from_dataframe(cls, surname_df):
        """Instantiate the vectorizer from the dataset dataframe

        Args:
            surname_df (pandas.DataFrame): the surname dataset
        Returns:
            an instance of the SurnameVectorizer
        """
        char_vocab = SequenceVocabulary()
        nationality_vocab = Vocabulary()

        for index, row in surname_df.iterrows():
            for char in row.surname:
                char_vocab.add_token(char)
            nationality_vocab.add_token(row.nationality)

        return cls(char_vocab, nationality_vocab)

从ElmanRNN到 GRU

在实践中，从普通的 RNN 转换到门控变体是非常容易的。在以下模型中，虽然我们使用 GRU 代替普通的 RNN，但是使用 LSTM 也同样容易。为了使用 GRU，我们实例化了torch.nn。GRU 模块使用与第六章ElmanRNN相同的参数。

模型 1：非条件姓氏生成模型

第一个模型是无条件的:它在生成姓氏之前不观察国籍。在实践中，非条件意味着 GRU 的计算不偏向任何国籍。在下一个例子（例子 7-3）中，通过初始隐藏向量引入计算偏差。在这个例子中，我们使用一个全为 0 的向量，这样初始的隐藏状态向量就不会影响计算。 通常，SurnameGenerationModel嵌入字符索引，使用 GRU 计算其顺序状态，并使用线性层计算标记预测的概率。更明确地说，非条件SurnameGenerationModel从初始化嵌入层、GRU 和线性层开始。 与第 6 章的序列模型相似，该模型输入了一个整数矩阵。我们使用一个 PyTorch 嵌入实例char_embed将整数转换为一个三维张量（每个批量项的向量序列）。这个张量传递给 GRU, GRU 计算每个序列中每个位置的状态向量。

第六章的序列分类与本章序列预测的主要区别在于如何处理由 RNN 计算出的状态向量。在第 6 章中，我们为每个批量索引检索一个向量，并使用这些向量执行预测。在这个例子中，我们将我们的三维张量重塑为一个二维张量（一个矩阵），以便行维表示每个样本（批量和序列索引）。利用这个矩阵和线性层，我们计算每个样本的预测向量。我们通过将矩阵重新构造成一个三维张量来完成计算。由于排序信息是通过整形操作保存的，所以每个批和序列索引仍然处于相同的位置。我们需要整形的原因是因为线性层需要一个矩阵作为输入。

示例 7-3：非条件化的姓氏生成模型

class SurnameGenerationModel(nn.Module):
    def __init__(self, char_embedding_size, char_vocab_size, rnn_hidden_size,
                 batch_first=True, padding_idx=0, dropout_p=0.5):
        """
        Args:
            char_embedding_size (int): The size of the character embeddings
            char_vocab_size (int): The number of characters to embed
            rnn_hidden_size (int): The size of the RNN's hidden state
            batch_first (bool): Informs whether the input tensors will
                have batch or the sequence on the 0th dimension
            padding_idx (int): The index for the tensor padding;
                see torch.nn.Embedding
            dropout_p (float): the probability of zeroing activations using
                the dropout method.
        """
        super(SurnameGenerationModel, self).__init__()

        self.char_emb = nn.Embedding(num_embeddings=char_vocab_size,
                                     embedding_dim=char_embedding_size,
                                     padding_idx=padding_idx)
        self.rnn = nn.GRU(input_size=char_embedding_size,
                          hidden_size=rnn_hidden_size,
                          batch_first=batch_first)
        self.fc = nn.Linear(in_features=rnn_hidden_size,
                            out_features=char_vocab_size)
        self._dropout_p = dropout_p

    def forward(self, x_in, apply_softmax=False):
        """The forward pass of the model

        Args:
            x_in (torch.Tensor): an input data tensor.
                x_in.shape should be (batch, input_dim)
            apply_softmax (bool): a flag for the softmax activation
                should be False during training
        Returns:
            the resulting tensor. tensor.shape should be (batch, output_dim)
        """
        x_embedded = self.char_emb(x_in)

        y_out, _ = self.rnn(x_embedded)

        batch_size, seq_size, feat_size = y_out.shape
        y_out = y_out.contiguous().view(batch_size * seq_size, feat_size)

        y_out = self.fc(F.dropout(y_out, p=self._dropout_p))

        if apply_softmax:
            y_out = F.softmax(y_out, dim=1)

        new_feat_size = y_out.shape[-1]
        y_out = y_out.view(batch_size, seq_size, new_feat_size)

        return y_out

模型 2：条件姓氏生成模型

第二个模型考虑了要生成的姓氏的国籍。在实践中，这意味着有某种机制允许模型对特定姓氏的行为进行偏差。在本例中，我们通过将每个国籍嵌入为隐藏状态大小的向量来参数化 RNNs 的初始隐藏状态。这意味着模型在调整模型参数的同时，也调整了嵌入矩阵中的值，从而使预测偏于对特定的国籍和姓氏的规律性更加敏感。例如，爱尔兰国籍向量偏向于起始序列Mc和O。

例 7-3 显示了条件模型之间的差异。具体地说，引入额外的嵌入来将国籍索引映射到与 RNN 的隐藏层相同大小的向量。然后，在正向函数中嵌入民族指标，作为 RNN 的初始隐含层简单传入。虽然这是对第一个模型的一个非常简单的修改，但是它对于让 RNN 根据生成的国籍改变其行为有着深远的影响。

示例 7-4：条件化的姓氏生成模型

class SurnameGenerationModel(nn.Module):
    def __init__(self, char_embedding_size, char_vocab_size, num_nationalities,
                 rnn_hidden_size, batch_first=True, padding_idx=0, dropout_p=0.5):
        # ...
        self.nation_embedding = nn.Embedding(embedding_dim=rnn_hidden_size,
                                             num_embeddings=num_nationalities)

    def forward(self, x_in, nationality_index, apply_softmax=False):
        # ...
        x_embedded = self.char_embedding(x_in)
        # hidden_size: (num_layers * num_directions, batch_size, rnn_hidden_size)
        nationality_embedded = self.nation_emb(nationality_index).unsqueeze(0)
        y_out, _ = self.rnn(x_embedded, nationality_embedded)
        # ...

训练例程和结果

在本例中，我们介绍了用于生成姓氏的字符序列预测任务。虽然许多实现细节和训练例程与第 6 章的序列分类示例相似，但有几个主要区别。在这一节中，我们将重点讨论差异、使用的超参数和结果。 与前面的例子相比，计算这个例子中的损失需要两个更改，因为我们在序列中的每一步都要进行预测。首先，我们将三维张量重塑为二维张量（矩阵）以满足计算约束。其次，我们协调掩蔽索引，它允许可变长度序列与损失函数，使损失不使用掩蔽位置在其计算。

我们通过使用示例 7-5 中所示的代码片段来处理这两个问题——三维张量和可变长度序列。首先，预测和目标被标准化为损失函数期望的大小（预测是二维的，目标是一维的）。现在，每一行代表一个示例:按顺序执行一个时间步骤。然后，交叉熵损失用于ignore_index设置为mask_index。这将导致损失函数忽略与ignore_index匹配的目标中的任何位置。

示例 7-5：处理三维张量和序列级损失计算

def normalize_sizes(y_pred, y_true):
    """Normalize tensor sizes

    Args:
        y_pred (torch.Tensor): the output of the model
            If a 3-dimensional tensor, reshapes to a matrix
        y_true (torch.Tensor): the target predictions
            If a matrix, reshapes to be a vector
    """
    if len(y_pred.size()) == 3:
        y_pred = y_pred.contiguous().view(-1, y_pred.size(2))
    if len(y_true.size()) == 2:
        y_true = y_true.contiguous().view(-1)
    return y_pred, y_true

def sequence_loss(y_pred, y_true, mask_index):
    y_pred, y_true = normalize_sizes(y_pred, y_true)
    return F.cross_entropy(y_pred, y_true, ignore_index=mask_index)

使用这种修正的损失计算，我们构造了一个训练例程，看起来与本书中的每个例子相似。它首先迭代训练数据集，每次只处理一小批数据。对于每个小批量，模型的输出是由输入计算出来的。因为我们在每一个时间步上执行预测，所以模型的输出是一个三维张量。使用前面描述的sequence_loss和优化器，可以计算模型预测的错误信号，并用于更新模型参数。

大多数模型超参数是由字符词汇表的大小决定的。这个大小是可以观察到的作为模型输入的离散标记的数量，以及每次步骤输出分类中的类的数量。剩下的模型超参数是字符嵌入的大小和内部 RNN 隐藏状态的大小。示例 7-6 给出了这些超参数和训练选项。

示例 7-6：姓氏生成的超参数

args = Namespace(
    # Data and Path information
    surname_csv="data/surnames/surnames_with_splits.csv",
    vectorizer_file="vectorizer.json",
    model_state_file="model.pth",
    save_dir="model_storage/ch7/model1_unconditioned_surname_generation",
    # or: save_dir="model_storage/ch7/model2_conditioned_surname_generation",
    # Model hyper parameters
    char_embedding_size=32,
    rnn_hidden_size=32,
    # Training hyper parameters
    seed=1337,
    learning_rate=0.001,
    batch_size=128,
    num_epochs=100,
    early_stopping_criteria=5,
    # Runtime options omitted for space
)

尽管预测的每个字符的准确性是模型性能的度量，但是在本例中，通过检查模型将生成的姓氏类型来进行定性评估会更好。为此，我们在forward()方法中步骤的修改版本上编写一个新的循环，以计算每个时间步骤的预测，并将这些预测用作下一个时间步骤的输入。我们将展示示例 7-7 中的代码。模型在每个时间步上的输出是一个预测向量，利用 softmax 函数将预测向量转换为概率分布。利用概率分布，我们利用火炬。多项式抽样函数，它以与索引的概率成比例的速率选择索引。抽样是一个每次产生不同输出的随机过程。

示例 7-7：从非条件化生成模型采样

def sample_from_model(model, vectorizer, num_samples=1, sample_size=20,
                      temperature=1.0):
    """Sample a sequence of indices from the model

    Args:
        model (SurnameGenerationModel): the trained model
        vectorizer (SurnameVectorizer): the corresponding vectorizer
        num_samples (int): the number of samples
        sample_size (int): the max length of the samples
        temperature (float): accentuates or flattens
            the distribution.
            0.0 < temperature < 1.0 will make it peakier.
            temperature > 1.0 will make it more uniform
    Returns:
        indices (torch.Tensor): the matrix of indices;
        shape = (num_samples, sample_size)
    """
    begin_seq_index = [vectorizer.char_vocab.begin_seq_index
                       for _ in range(num_samples)]
    begin_seq_index = torch.tensor(begin_seq_index,
                                   dtype=torch.int64).unsqueeze(dim=1)
    indices = [begin_seq_index]
    h_t = None

    for time_step in range(sample_size):
        x_t = indices[time_step]
        x_emb_t = model.char_emb(x_t)
        rnn_out_t, h_t = model.rnn(x_emb_t, h_t)
        prediction_vector = model.fc(rnn_out_t.squeeze(dim=1))
        probability_vector = F.softmax(prediction_vector / temperature, dim=1)
        indices.append(torch.multinomial(probability_vector, num_samples=1))
    indices = torch.stack(indices).squeeze().permute(1, 0)
    return indices

您需要将采样的索引从sample_from_model()函数转换为用于人类可读输出的字符串。如示例 7-8 所示，要做到这一点，需要使用用于向量化姓氏的SequenceVocabulary。在创建字符串时，只使用序列结束索引之前的索引。这是假设模型能够了解姓氏应该在何时结束。

示例 7-8：将采样的索引映射为姓氏字符串

def decode_samples(sampled_indices, vectorizer):
    """Transform indices into the string form of a surname

    Args:
        sampled_indices (torch.Tensor): the inidces from `sample_from_model`
        vectorizer (SurnameVectorizer): the corresponding vectorizer
    """
    decoded_surnames = []
    vocab = vectorizer.char_vocab

    for sample_index in range(sampled_indices.shape[0]):
        surname = ""
        for time_step in range(sampled_indices.shape[1]):
            sample_item = sampled_indices[sample_index, time_step].item()
            if sample_item == vocab.begin_seq_index:
                continue
            elif sample_item == vocab.end_seq_index:
                break
            else:
                surname += vocab.lookup_index(sample_item)
        decoded_surnames.append(surname)
    return decoded_surnames

使用这些函数，您可以检查模型的输出，如示例 7-9 所示，以了解模型是否正在学习生成合理的姓氏。从检查输出中我们可以学到什么?我们可以看到，尽管这些姓氏似乎遵循着几种形态模式，但这些姓氏显然并不是来自一个国家或另一个国家。一种可能是，学习姓氏的一般模型会混淆不同民族之间的性格分布。有条件的姓氏生成模型就是用来处理这种情况的。

示例 7-9：从非条件化模型采样

Input[0]
samples = sample_from_model(unconditioned_model, vectorizer,
                            num_samples=10)
decode_samples(samples, vectorizer)
Output[0]
['Aqtaliby',
 'Yomaghev',
 'Mauasheev',
 'Unander',
 'Virrovo',
 'NInev',
 'Bukhumohe',
 'Burken',
 'Rati',
 'Jzirmar']

对于有条件的SurnameGenerationModel，我们修改sample_from_model()函数来接受国籍索引列表，而不是指定数量的样本。在例 7-10 中，修改后的函数使用带有国籍嵌入的国籍索引来构造 GRU 的初始隐藏状态。在此之后，采样过程与非条件模型完全相同。

示例 7-10：从序列模型采样

def sample_from_model(model, vectorizer, nationalities, sample_size=20,
                      temperature=1.0):
    """Sample a sequence of indices from the model

    Args:
        model (SurnameGenerationModel): the trained model
        vectorizer (SurnameVectorizer): the corresponding vectorizer
        nationalities (list): a list of integers representing nationalities
        sample_size (int): the max length of the samples
        temperature (float): accentuates or flattens
            the distribution.
            0.0 < temperature < 1.0 will make it peakier.
            temperature > 1.0 will make it more uniform
    Returns:
        indices (torch.Tensor): the matrix of indices;
        shape = (num_samples, sample_size)
    """
    num_samples = len(nationalities)
    begin_seq_index = [vectorizer.char_vocab.begin_seq_index
                       for _ in range(num_samples)]
    begin_seq_index = torch.tensor(begin_seq_index,
                                   dtype=torch.int64).unsqueeze(dim=1)
    indices = [begin_seq_index]
    nationality_indices = torch.tensor(nationalities,
                                       dtype=torch.int64).unsqueeze(dim=0)
    h_t = model.nation_emb(nationality_indices)

    for time_step in range(sample_size):
        x_t = indices[time_step]
        x_emb_t = model.char_emb(x_t)
        rnn_out_t, h_t = model.rnn(x_emb_t, h_t)
        prediction_vector = model.fc(rnn_out_t.squeeze(dim=1))
        probability_vector = F.softmax(prediction_vector / temperature, dim=1)
        indices.append(torch.multinomial(probability_vector, num_samples=1))
    indices = torch.stack(indices).squeeze().permute(1, 0)
    return indices

用条件向量采样的有效性意味着我们对生成输出有影响。在示例 7-11 中，我们迭代国籍索引并从每个索引中取样。为了节省空间，我们只显示一些输出。从这些输出中，我们可以看到，该模型确实采用了姓氏拼写的一些模式。

示例 7-11：从条件SurnameGenerationModel采样（没有展示所有输出）

Input[0]
for index in range(len(vectorizer.nationality_vocab)):
    nationality = vectorizer.nationality_vocab.lookup_index(index)

    print("Sampled for {}: ".format(nationality))

    sampled_indices = sample_from_model(model=conditioned_model,
                                        vectorizer=vectorizer,  
                                        nationalities=[index] * 3,
                                        temperature=0.7)

    for sampled_surname in decode_samples(sampled_indices,
                                          vectorizer):
        print("-  " + sampled_surname)
Output[0]
Sampled for Arabic:
-  Khatso
-  Salbwa
-  Gadi
Sampled for Chinese:
-  Lie
-  Puh
-  Pian
Sampled for German:
-  Lenger
-  Schanger
-  Schumper
Sampled for Irish:
-  Mcochin
-  Corran
-  O'Baintin
Sampled for Russian:
-  Mahghatsunkov
-  Juhin
-  Karkovin
Sampled for Vietnamese:
-  Lo
-  Tham
-  Tou

训练序列模型的提示和技巧

序列模型很难训练，而且在这个过程中会出现许多问题。在这里，我们总结了一些技巧和技巧，我们发现不仅在我们的工作中有用，而且也被其他人在文献报道。 1）如果可能，使用门控变量 门控体系结构通过解决非通配型的许多数值稳定性问题简化了训练。 2）如果可能，请选择 GRUs 而不是 LSTMs GRUs 提供了与 LSTMs 几乎相同的性能，并且使用更少的参数和计算。幸运的是，从 PyTorch 的角度来看，除了简单地使用不同的模块类之外，在 LSTM 上使用 GRU 没有什么可做的。 3）使用 Adam 作为您的优化器 在第 6 章、第 7 章和第 8 章中，我们只使用 Adam 作为优化器，这是有充分理由的:它是可靠的，收敛速度更快。对于序列模型尤其如此。如果由于某些原因，您的模型没有与 Adam 收敛，那么在这种情况下，切换到随机梯度下降可能会有所帮助。 4）梯度剪裁 如果您注意到在应用这些章节中学习到的概念时出现了数字错误，请在训练过程中使用您的代码绘制梯度值。知道愤怒之后，剪掉任何异常值。这将确保更顺利的训练。在 PyTorch 中，有一个有用的实用程序clip_grad_norm可以为您完成此工作，如示例 7-12 所示。一般来说，你应该养成剪切渐变的习惯。

示例 7-12：在 PyTorch 中应用梯度剪裁

# define your sequence model
model = ..
# define loss function
loss_function = ..

# training loop
for _ in ...:
   ...
   model.zero_grad()
   output, hidden = model(data, hidden)
   loss = loss_function(output, targets)
   loss.backward()
   torch.nn.utils.clip_grad_norm(model.parameters(), 0.25)
   ...

5.早期停止 对于序列模型，很容易过度拟合。我们建议您在评估错误（在开发集上测量的）开始出现时尽早停止训练过程。

在第 8 章中，我们继续讨论序列模型，使用序列到序列模型来预测和生成与输入长度不同的序列，并讨论序列模型的更多变体。