為什么了解NLP基礎(chǔ)知識的重要？

ACL 2019投稿剛剛落幕，投稿數(shù)超過了2800篇，可以說是歷史以來最盛大的一屆ACL。在深度學習的推動下，自然語言處理這個子領(lǐng)域也逐漸被推上人工智能大舞臺的最前列。

最近在跟同學的郵件、或者知乎留言中的交流中，不少同學尤其是剛?cè)耄╦in）門（keng）的同學，提到了深度學習背景下做NLP科研的很多迷茫。基本可以歸納為如下幾點：如今一個模型，幾十行TensorFlow或者PyTorch就可以解決掉，大家不厭其煩地刷數(shù)據(jù)集的benchmark，但是因為如今實現(xiàn)模型的門檻低一些，SOTA很難再刷的上去；就算好不容易刷上去了，因為模型千篇一律無非修修補補，文章投出去了因為novelty受限，文章中不中看天；即便是文章中了，似乎并無太大新意，灌水中已然迷茫。

深度算法的風靡會讓研究者過度關(guān)心這些算法本身，而層出不窮模型結(jié)構(gòu)的調(diào)整和改進又讓我們眼花撩花。當侃侃而談深度學習網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成一個很cool的事情時，虛榮心會讓大家不約而同地忽略了幾個重要點?；谖易约憾嗄陙碓?jīng)走過的彎路，踩過的坑，這篇文章做了一點點小的總結(jié)。希望會對剛剛進入NLP領(lǐng)域的同學有所幫助。

1、了解NLP的最基本知識：Jurafsky和Martin的Speech and Language Processing是領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)典教材，里面包含了NLP的基礎(chǔ)知識、語言學掃盲知識、基本任務(wù)以及解決思路。閱讀此書會接觸到很多NLP的最基本任務(wù)和知識，比如tagging, 各種parsing，coreference，semantic role labeling等等。這對于全局地了解NLP領(lǐng)域有著極其重要的意義。

書里面的知識并不需要爛熟于心，但是刷上一兩遍，起碼對于NLP任務(wù)有基本認識，下次遇到了知道去哪里找還是非常有意義的。另外Chris Manning的「introduction to information retrieval」也是一本可以掃一下盲的書，當然我認為依然不需要記住所有細節(jié)，但輪廓需要了解。IR里面的很多基本算法跟NLP有不少的重合。

說說我自己曾經(jīng)走過的彎路。Stanford NLP的qualification考試的一部分就是選一些jurafsky和manning書里面的一些章節(jié)來讀，然后老師來問相關(guān)問題。開始我一直懶得看，所以qualification考試一拖再拖。但博士最后一年沒辦法拖的時候，才發(fā)現(xiàn)如果早知道這些東西，博士早年可以少走很多彎路。

為什么了解NLP基礎(chǔ)知識的重要，我給大家舉幾個例子。

最近跟同學一起做語言模型language modeling相關(guān)的事情，很多同學用LSTM或者transformers做language model隨手就能實現(xiàn)，但是實現(xiàn)一個 bigram或者trigram的language model（LM），卻因為里面的OOV的平滑問題卡了大半天（熟悉的同學可能知道，需要拉普拉斯平滑或者更sophisticated的Kneser-Ney平滑）。

為什么bigram或者trigram的LM很重要呢？去做一個語言模型的問題，實現(xiàn)深度模型之前，第一步其實就要寫一個bigram或者trigram的LM。為什么呢？ 因為這些N-gram模型實現(xiàn)簡單，并且robust。通過這樣簡單的實現(xiàn)，可以告訴你這個數(shù)據(jù)集的LM模型的下限。這樣我們心里會有數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型至少不應(yīng)該比這個模型差的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型因為其超參數(shù)、梯度爆炸等問題，有時候我們不太容易決定是真的模型不行、參數(shù)沒調(diào)好還是代碼bug。那么通過N-gram LM的給出的下限，我們就可以直觀地知道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是有bug還是沒調(diào)好參數(shù)。

第二個例子就是涉及發(fā)文章了，不知道有沒有同學想過，BERT里面訓練LM的隨機替換為什么就使結(jié)果變好，隨機替換是什么鬼，怎么結(jié)果就好了。其實在BERT之前，斯坦福的吳恩達組的Ziang Xie的Data Noising as Smoothing in Neural Network Language Models（ICLR 2017）就首次提出了此方法，而且給出了理論解釋。這種random替換其實本質(zhì)上屬于language modeling里面基于interpolation的平滑方式， 而基于interpolation的LM平滑，就躺在jurafsky那本書的第3.4.3節(jié)。

2.了解早年經(jīng)典的NLP模型以及論文：相比簡單粗暴的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，早年的NLP算法確實比較繁瑣復雜，但里面確實有很多早年學者在硬件條件艱苦情況下的智慧結(jié)晶。熟悉了這些模型，可以在現(xiàn)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里面融會貫通。去年在人民大學做seminar，大概30-40位同學參加。我問了一個問題，有誰知道機器翻譯中的IBM模型大概是干嘛的，舉手的同學大概有五分之一。我再問，誰能來手寫（或者大概手寫）IBM model1，一個人都沒有。僅僅是基于IBM模型的Hierarchical Phrase-based MT, 近幾年就有很多篇引用量很高的文章是基于該模型的思想。例子數(shù)不勝數(shù)：1) chris dyer組的Incorporating structural alignment biases into an attentional neural translation model（NAACL16）提出用雙向attention做神經(jīng)機器翻譯的約束項，意思是如果在英語翻譯法語生成的target中的一個法語詞attend到了一個source中的英語詞，那么反過來，法語翻譯英文 target中相同這個英語詞應(yīng)該也attend到source中的這個英語詞。

其實這個思想就是完完全全相似Percy Liang曾經(jīng)的成名作之一。早在NAACL06年 Alignment by Agreement，大家通過題目的意思就可以猜到文章的內(nèi)容，正向翻譯與反向翻譯中的對齊(alignment) 要一致(agree)。如今做神經(jīng)機器翻譯的同學，有多少同學讀過Percy的這篇大作呢 （大家知道Percy最多的應(yīng)該是Squad吧）？2) 處理對話系統(tǒng)的無聊回復，用p(target|source)做reranking現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)是標配。再比如Rico Sennrich的成名作之一將Monolingual data 跟seq2seq 模型結(jié)合。其實這連個思想在phrase-base MT里面早就被廣發(fā)的使用。Neural之前的MT，需要對一個大的N-best list用MERT做 reranking， 反向概率p(target|source)以及語言模型概率p(target)是reranking中feature的標配。

3) Harvard NLP組, Sam Wiseman和Alex發(fā)表的runner-up, Sequence-to-Sequence Learning as Beam-Search Optimization（EMNLP 2016 best paper）, 基本上傳承了Daume′ III and Daniel Marcu 2005年的 LaSO模型，將其思想adapt到neural里面。

如果再準本溯源，誕生于神經(jīng)機器翻譯的attention，不就是IBM模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)版本嘛。

3.了解機器學習的基本模型：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡單暴力并且有效。但是從科研的角度講，熟悉基本的機器學習算法是必修課。比如吳恩達的machine learning就是必要之選。記得前段時間我面試一個小伙子，一看就是很聰明的同學，而且很短的時間就有一篇NAACL在投。我就問小伙子，EM算法是什么，小伙子說沒有聽說過EM，而且自己的科研也用不到EM。我認為這其實是一個挺大的誤區(qū)。當我想起我自己，曾經(jīng)就吃過很多類似的虧。因為早期數(shù)學基礎(chǔ)偏弱，也沒有決心惡補一下數(shù)學，所以早年每次看到跟variational inference相關(guān)的算法就頭大，這種偏科持續(xù)了很久，限制了科研的廣度。相比粗暴的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，CRF等模型的inference確實相對復雜（當年我自己也看了很多次才徹底搞明白）。

但搞懂這些，是一個NLP researcher的基本素養(yǎng)。Pattern Recognition and Machine Learning那本書，尤其是某些小節(jié)確實比較難（又暴露了數(shù)學基礎(chǔ)差的事實），即便是只是為了過一遍，也需要很強的耐力才能看完，更不用說完全看懂了。我自己也曾經(jīng)很多次半途而廢，如今依然有很多章節(jié)是不太懂的。但是其中的很多基礎(chǔ)章節(jié)，我認為還是很值得一讀的。其實可以組成那種兩三個人的學習小組，不需要有太雄偉的目標，用個一年哪怕兩年的時間，把幾個重要的章節(jié)過一遍。

NLP相對是應(yīng)用科學，并不是特別的數(shù)學。但是我們天天用的算法的基本數(shù)學邏輯我認為還是需要搞懂，比如dropout, 比如天天用到的優(yōu)化(SGD, momentum, adaboost, adagrad)，比如各種batch, layer normalization。這樣其實可以省去很多浪費的時間，磨刀不誤砍柴工。

這些年來，在幫同學調(diào)bug的過程中，我至少遇見過3-5個同學training的時候開dropout, test的時候沒有對每個cell用 (1-dropout)去scale （大家不要笑，這是真的）。然后畫出dropout曲線就是dropout值越大，結(jié)果越差。在討論的時候，同學一臉茫然并且不清楚test時候需要scale。其實本質(zhì)就是并不了解dropout背后的數(shù)學原理。

4. 多看NLP其他子領(lǐng)域的論文：NLP有很多子領(lǐng)域，包括機器翻譯，信息抽取，parsing，tagging，情感分析，MRC等等。多熟悉其他子領(lǐng)域的進展是必要的。其實不同子領(lǐng)域所運用的模型不會相差太大，但是最開始看不熟悉領(lǐng)域的問題可能會有一點難，原因是對問題的formalization不是很了解。這可能就需要多花一些時間，多找懂的同學去問。其實了解不同問題的formalization也是對領(lǐng)域知識最好的擴充。

5. 了解 CV和data mining領(lǐng)域的基本重大進展：當熟悉了上面所說的點之后（當然可能至少也需要一年的時間），熟悉CV領(lǐng)域的基本任務(wù)、基本算法對于打開科研視野也很重要。但是不可否認，因為領(lǐng)域不同，寫作風格、術(shù)語表達相差很大，又因為缺乏背景知識（文章中會省略一些基礎(chǔ)知識，默認大家都懂，但是跨領(lǐng)域的人可能不懂），第一次想讀懂跨領(lǐng)域的文章其實并不容易。

我就出現(xiàn)過竟然在討論班上直接把faster-RCNN講錯了的情況，以為自己看懂了，然后就講錯了（至今昱先天天還在因為這個事情調(diào)侃我）。不過重要的是，NLP領(lǐng)域里面一些重要的文章其實或多或少借鑒了CV里面的思想，當然也同樣出現(xiàn)CV借鑒NLP的情況。NLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可視化、可解釋性的研究，時間上還是落后于CV里面對CNN的可視化。所以很多工作大量借鑒了CV里面的類似工作。NLP運用GAN其實也是借鑒CV的。

其實兩個領(lǐng)域很多是很相通的。比如，如果不考慮question query, vision里面detection中的region proposal（在一個大的圖片背景下找一個特定區(qū)域）, 大家想是不是跟MRC里面的span extraction （在一大堆文字里面找一個span）有異曲同工之妙。更不用說image caption generation與sequence-to-sequence模型了，本質(zhì)上幾乎沒什么太大的區(qū)別。

強化學習在生成領(lǐng)域generation，發(fā)完了MT(Ranzato et al., ICLR2016)再發(fā)image caption generation, 再回到summarization. Actor-critic 模型也是類似的，還是很多做generation diversity的文章。

因為跨領(lǐng)域不好懂，所以第一次推薦看tutorial, 如果有 sudo code 的tutorial那就更好了。另外看看掃盲課的視頻，比如Stanford CS231n也是個好辦法。另外，一個NLP組里面有一個很懂CV的人也很重要（拜謝昱先）， and vise versa。

graph embedding近兩年崛起于data mining領(lǐng)域。目測會在（或者已經(jīng)在）NLP的不少任務(wù)得到廣泛應(yīng)用。想到幾年前，deep walk借鑒了word2vec, 開始在data mining領(lǐng)域發(fā)跡，然后似乎又要輪轉(zhuǎn)回NLP了。當然啦如何寫論文也是極其重要的一環(huán)，但不是這篇文章的主題，強烈推薦清華大學劉知遠老師的相關(guān)文(https://zhuanlan.zhihu.com/p/58752815)，先寫到這兒，歡迎大家補充拍磚。