生成式對抗網(wǎng)絡(luò)GAN最近在NLP領(lǐng)域有哪些應(yīng)用？

雷鋒網(wǎng)按：本文作者莫驚蟄，原文載于知乎，雷鋒網(wǎng)獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。

剛做完實驗，來答一答自然語言處理方面GAN的應(yīng)用。

直接把GAN應(yīng)用到NLP領(lǐng)域（主要是生成序列），有兩方面的問題：

1. GAN最開始是設(shè)計用于生成連續(xù)數(shù)據(jù)，但是自然語言處理中我們要用來生成離散tokens的序列。因為生成器(Generator，簡稱G)需要利用從判別器(Discriminator，簡稱D)得到的梯度進(jìn)行訓(xùn)練，而G和D都需要完全可微，碰到有離散變量的時候就會有問題，只用BP不能為G提供訓(xùn)練的梯度。在GAN中我們通過對G的參數(shù)進(jìn)行微小的改變，令其生成的數(shù)據(jù)更加“逼真”。若生成的數(shù)據(jù)是基于離散的tokens，D給出的信息很多時候都沒有意義，因為和圖像不同。圖像是連續(xù)的，微小的改變可以在像素點上面反應(yīng)出來，但是你對tokens做微小的改變，在對應(yīng)的dictionary space里面可能根本就沒有相應(yīng)的tokens.

2.GAN只可以對已經(jīng)生成的完整序列進(jìn)行打分，而對一部分生成的序列，如何判斷它現(xiàn)在生成的一部分的質(zhì)量和之后生成整個序列的質(zhì)量也是一個問題。

近幾篇重要的工作：

1. 為了解決這兩個問題，比較早的工作是上交的這篇發(fā)表在AAAI 2017的文章：SeqGAN: Sequence Generative Adversarial Nets with Policy Gradient， 16年9月就放上了Arxiv上面了，而且也公布了源代碼。

利用了強(qiáng)化學(xué)習(xí)的東西來解決以上問題。如圖，針對第一個問題，首先是將D的輸出作為Reward，然后用Policy Gradient Method來訓(xùn)練G。針對第二個問題，通過蒙特卡羅搜索，針對部分生成的序列，用一個Roll-Out Policy（也是一個LSTM）來Sampling完整的序列，再交給D打分，最后對得到的Reward求平均值。

完整算法如圖：

原文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1609.05473v5.pdf

Github鏈接：LantaoYu/SeqGAN

2. 第二篇是C.Manning組大神Li Jiwei的文章：Adversarial Learning for Neural Dialogue Generation，用GAN和強(qiáng)化學(xué)習(xí)來做對話系統(tǒng)，如果我沒有記錯，這篇paper是最早引用SeqGAN的，有同學(xué)還說這篇是最早將RL用到GAN上的，主要是Jiwei大神名氣太大，一放上Arxiv就引起無數(shù)關(guān)注。

如圖，文章也是用了Policy Gradient Method來對GAN進(jìn)行訓(xùn)練，和SeqGAN的方法并沒有很大的區(qū)別，主要是用在了Dialogue Generation這樣困難的任務(wù)上面。還有兩點就是：第一點是除了用蒙特卡羅搜索來解決部分生成序列的問題之外，因為MC Search比較耗費時間，還可以訓(xùn)練一個特殊的D去給部分生成的序列進(jìn)行打分。但是從實驗效果來看，MC Search的表現(xiàn)要更好一點。

第二點是在訓(xùn)練G的時候同時還用了Teacher-Forcing（MLE）的方法，這點和后面的MaliGAN有異曲同工之處。

為什么要這樣做的原因是在對抗性訓(xùn)練的時候，G不會直接接觸到真實的目標(biāo)序列（gold-standard target sequence），當(dāng)G生成了質(zhì)量很差的序列的時候（生成質(zhì)量很好的序列其實相當(dāng)困難），而D又訓(xùn)練得很好，G就會通過得到的Reward知道自己生成的序列很糟糕，但卻又不知道怎么令自己生成更好的序列， 這樣就會導(dǎo)致訓(xùn)練崩潰。所以通過對抗性訓(xùn)練更新G的參數(shù)之后，還通過傳統(tǒng)的MLE就是用真實的序列來更新G的參數(shù)。類似于有一個“老師”來糾正G訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的偏差，類似于一個regularizer。

原文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1701.06547.pdf

Github鏈接：jiweil/Neural-Dialogue-Generation

3. Yoshua Bengio組在二月底連續(xù)放了三篇和GAN有關(guān)的paper，其中我們最關(guān)心的是大神Tong Che和Li yanran的這篇：Maximum-Likelihood Augmented Discrete Generative Adversarial Networks（MaliGAN），簡稱讀起來怪怪的。。。

這篇文章的工作主要是兩個方面：

1.為G構(gòu)造一個全新的目標(biāo)函數(shù)，用到了Importance Sampling，將其與D的output結(jié)合起來，令訓(xùn)練過程更加穩(wěn)定同時梯度的方差更低。盡管這個目標(biāo)函數(shù)和RL的方法類似，但是相比之下更能狗降低estimator的方差（強(qiáng)烈建議看原文的3.2 Analysis，分析了當(dāng)D最優(yōu)以及D經(jīng)過訓(xùn)練但并沒有到最優(yōu)兩種情況下，這個新的目標(biāo)函數(shù)仍然能發(fā)揮作用）

2.生成較長序列的時候需要用到多次random sampling，所以文章還提出了兩個降低方差的技巧：第一個是蒙特卡羅樹搜索，這個大家都比較熟悉; 第二個文章稱之為Mixed MLE-Mali Training，就是從真實數(shù)據(jù)中進(jìn)行抽樣，若序列長度大于N，則固定住前N個詞，然后基于前N個詞去freely run G產(chǎn)生M個樣本，一直run到序列結(jié)束。

基于前N個詞生成后面的詞的原因在于條件分布Pd比完整分布要簡單，同時能夠從真實的樣本中得到較強(qiáng)的訓(xùn)練信號。然后逐漸減少N（在實驗三中N=30, K=5， K為步長值，訓(xùn)練的時候每次迭代N-K）

Mixed MLE訓(xùn)練的MaliGAN完整算法如下：

在12，梯度更新的時候，第二項（highlight的部分）貌似應(yīng)該是logP（我最崇拜的學(xué)長發(fā)郵件去問過一作） 。至于第一部分為什么梯度是近似于這種形式，可以參考Bengio組的另一篇文章：Boundary-Seeking Generative Adversarial Networks

這個BGAN的Intuition就是：令G去學(xué)習(xí)如何生成在D決策邊界的樣本，所以才叫做boundary-seeking。作者有一個特別的技巧：如圖，當(dāng)D達(dá)到最優(yōu)的時候，滿足如下條件，Pdata是真實的分布，Pg是G生成的分布。

我們對它進(jìn)行一點微小的變換：這個形式厲害之處在于，盡管我們沒有完美的G，但是仍然可以通過對Pg賦予權(quán)重來得到真實的分布，這個比例就是如圖所示，基于該G的最優(yōu)D和（1-D）之比。當(dāng)然我們很難得到最優(yōu)的D，但我們訓(xùn)練的D越接近最優(yōu)D，bias越低。而訓(xùn)練D（標(biāo)準(zhǔn)二分類器）要比G簡單得多，因為G的目標(biāo)函數(shù)是一個會隨著D變動而變動的目標(biāo)。

文章后面給出了如何求梯度的數(shù)學(xué)公式，這里就不貼了。

回到MaliGAN，作者給出了實驗數(shù)據(jù)，比SeqGAN的效果要更好，看BLEU score.

原文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1702.07983v1.pdf

4. 用SeqGAN做機(jī)器翻譯，中科院自動化所在三月中旬放出了這篇文章：Improving Neural Machine Translation with Conditional Sequence Generative Adversarial Nets，這篇文章主要的貢獻(xiàn)就是第一次將GAN應(yīng)用到了NLP的傳統(tǒng)任務(wù)上面，而且BLEU有2的提升。

這個模型他們稱之為CSGAN-NMT，G用的是傳統(tǒng)的attention-based NMT模型，而D有兩種方案，一種是CNN based，另一種是RNN based，通過實驗比較發(fā)現(xiàn)CNN的效果更好。推測的原因是RNN的分類模型在訓(xùn)練早期能夠有極高的分類準(zhǔn)確率，導(dǎo)致總能識別出G生成的數(shù)據(jù)和真實的數(shù)據(jù)，G難以訓(xùn)練（因為總是negative signal）,

這篇文章的重點我想是4.訓(xùn)練策略，GAN極難訓(xùn)練，他們首先是用MLE來pretrain G，然后再用G生成的樣本和真實樣本來pretrain D，當(dāng)D達(dá)到某一個準(zhǔn)確率的時候，進(jìn)入對抗性訓(xùn)練的環(huán)節(jié)，GAN的部分基本和SeqGAN一樣，用policy gradient method+MC search，上面已經(jīng)講過了不再重復(fù)。但是由于在對抗性訓(xùn)練的時候，G沒有直接接觸到golden target sentence，所以每用policy gradient更新一次G都跑一次professor forcing。這里我比較困惑，我覺得是不是像Jiwei那篇文章，是用D給出的Reward來更新G參數(shù)之后，又用MLE來更新一次G的參數(shù)（保證G能接觸到真實的樣本，這里就是目標(biāo)語言的序列），但這個方法是teacher-forcing不是professor forcing。

最后就是訓(xùn)練Trick茫茫，這篇文章試了很多超參數(shù)，比如D要pretrain到f=0.82的時候效果最好，還有pretrain要用Adam，而對抗性訓(xùn)練要用RMSProp，同時還要和WGAN一樣將每次更新D的權(quán)重固定在一個范圍之內(nèi)。

原文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1703.04887.pdf

5.最后3月31號放到Arxiv上的文章：Improved Training of Wasserstein GANs, WGAN發(fā)布之后就引起轟動，比如Ian在Reddit上就點評了這篇文章，NYU的又祭出了這篇，令WGAN在NLP上也能發(fā)揮威力。

在WGAN中，他們給出的改進(jìn)方案是：

判別器最后一層去掉sigmoid

生成器和判別器的loss不取log

每次更新判別器的參數(shù)之后把它們的絕對值截斷到不超過一個固定常數(shù)c

不要用基于動量的優(yōu)化算法（包括momentum和Adam），推薦RMSProp，SGD也行

這里引用自知乎專欄：令人拍案叫絕的Wasserstein GAN - 知乎專欄

文章寫得深入淺出，強(qiáng)烈推薦。

其中第三項就是機(jī)器翻譯文章中也用到的weight clipping，在本文中，他們發(fā)現(xiàn)通過weight clipping來對D實施Lipschitz限制（為了逼近難以直接計算的Wasserstein距離），是導(dǎo)致訓(xùn)練不穩(wěn)定，以及難以捕捉復(fù)雜概率分布的元兇。所以文章提出通過梯度懲罰來對Critic（也就是D，WGAN系列都將D稱之為Critic）試試Lipschitz限制。

如圖：損失函數(shù)有原來的部分+梯度懲罰，現(xiàn)在不需要weight clipping以及基于動量的優(yōu)化算法都可以使用了，他們在這里就用了Adam。同時可以拿掉Batch Normalization。

如圖所示，實驗結(jié)果很驚人，這種WGAN—GP的結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練更加穩(wěn)定，收斂更快，同時能夠生成更高質(zhì)量的樣本，而且可以用于訓(xùn)練不同的GAN架構(gòu)，甚至是101層的深度殘差網(wǎng)絡(luò)。

同時也能用于NLP中的生成任務(wù)，而且是character-level 的language model，而MaliGAN的實驗是在Sentence-Level上面的。而且前面幾篇提到的文章2,3,4在對抗性訓(xùn)練的時候或多或少都用到了MLE，令G更夠接觸到Ground Truth，但是WGAN-GP是完全不需要MLE的部分。

原文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1704.00028.pdf

github地址：https://github.com/igul222/improved_wgan_training

代碼一起放出簡直業(yè)界良心。

6. 3月31號還谷歌還放出了一篇BEGAN: Boundary Equilibrium Generative Adversarial Networks，同時代碼也有了是carpedm20用pytorch寫的，他復(fù)現(xiàn)的速度真心快。。。

最后GAN這一塊進(jìn)展很多，同時以上提到的幾篇重要工作的一二作，貌似都在知乎上，對他們致以崇高的敬意。

更多雷鋒網(wǎng)文章：

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