论文解读：记忆网络（Memory Network）

Posted 2022-12-11 yealxxy

在了解vqa问题的论文时，发现有很多论文采用了记忆网络的思路，模拟推理过程，这篇文章主要总结关于记忆网络的三篇经典论文，目的是对记忆网络有个认识。分别是：
MEMORY NETWORKS，End-To-End Memory Networks，Ask Me Anything: Dynamic Memory Networks for Natural Language Processing

一，MEMORY NETWORKS

这是Facebook AI在2015年提出来的：MEMORY NETWORKS。论文是第一次提出记忆网络，利用记忆组件保存场景信息，以实现长期记忆的功能。对于很多神经网络模型，RNN，lstm和其变种gru使用了一定的记忆机制，在Memory Networks的作者看来，这些记忆都太小了。这就是这篇文章的目的。
我将从三个部分讲解这篇文章：

• 记忆网络各个组件的内容
• 记忆网络在nlp的使用
• 损失函数

1，记忆网络：

一个记忆网络（memory networks，简称为MemNN），包括了记忆m，还包括以下4个组件I、G、O、R（lstm的三个门，然后m像cell的list）：

• I: (input feature map)：用于将输入转化为网络里内在的向量。（可以利用标准预处理，例如，文本输入的解析，共参考和实体解析。 还可以将输入编码为内部特征表示，例如，从文本转换为稀疏或密集特征向量）
• G: (generalization)：更新记忆。在作者的具体实现里，只是简单地插入记忆数组里。作者考虑了几种新的情况，虽然没有实现，包括了记忆的忘记，记忆的重新组织。(最简单的G形式是将I（x）存储在存储器中的“slot”中)
  
• O: (output feature map)：从记忆里结合输入，把合适的记忆抽取出来，返回一个向量。每次获得一个向量，代表了一次推理过程。
• R: (response)：将该向量转化回所需的格式，比如文字或者answer。

2，记忆网络在nlp的使用：

场景：给一个段落和一个问题，给出回答

• I: 输入的是一句话，简单地将I转换为一个频率的向量空间模型。

• m: 记忆卡槽list。

• G:简单地把读到的对话组里的每一句话的向量空间模型，插到记忆的list里，这里默认记忆插槽比对话组句子还多。

• O：就是输入一个问题x，将最合适的k个支撑记忆（the supporting memories，在下文的数据集里会举出例子），也就是top-k。做法就是把记忆数组遍历，挑出最大的值。最后，O返回一个长度为k的数组。
  
  

• R：利用O得到的输出，返回一个词汇w。
  

• 打分函数：在O和R中的打分函数：
  

3，损失函数

采用margin ranking loss，这个与支持向量机的损失函数类似。（即是选出最合适中间结果，和得到最好的预测输出。）

4，理解

• 记忆网络是一个组件形式的模型，每个模型相互对立又相互影响。每个组件没有固定的模型，可以是传统的模型，也可以是神经网络。
• 论文的缺陷没有思想端到端的训练，端到端的训练将在下面介绍。

二，End-To-End Memory Networks

这篇文章是上面一篇文章的基础之上提出来的端到端的训练方式。并提出重复的去提取有用的信息，实现多次推理的过程。End-To-End Memory Networks

1，单次推理：图a

使用输入集合S=x1,x2,…xi,…,xnS=x1,x2,…xi,…,xn表示上下文知识，使用输入向量q表示问题，使用输出向量aˆ表示预测答案。记忆网络模型通过对上下文集合S和问题向量q的数学变换，得到对应于问题的答案。

• Input memory representation：把 词进行embedding，变成向量放入m中。
• q：对问题q进行同样的embedding
• 计算u和记忆m的匹配程度。
  
• 输出o：记忆m的加权和
  
  -用o，以及问题u预测答案：
  

2，多次推理：图b

• 每次的更新：
  

• 经过多次推理，计算输出：
  

• 对于权重参数设置，作者提出两种方案：
  

三，Ask Me Anything: Dynamic Memory Networks for Natural Language Processing

这篇文章是记忆网络的改进版本，提出的DMN网络模型包含输入、问题、情景记忆、回答四个模块，架构图如下所示。模型首先会计算输入和问题的向量表示，然后根据问题触发Attention机制，使用门控的方法选择出跟问题相关的输入。然后情景记忆模块会结合相关的输入和问题进行迭代生成记忆，并且生成一个答案的向量表示。
Ask Me Anything: Dynamic Memory Networks for Natural Language Processing

1，Input Module

使用GRU对输入进行编码，（这里论文中有提到GRU和LSTM，说GRU可以达到与LSTM相似的准确度而且参数更少计算更为高效，但都比RNN要好）

• 对于单个句子：使用GRU中间的state作为输入
• 对于多个句子：采用GRU在每个句子的最后状态作为输入

2，Question Module

• 这部分与Input Module一样，就是使用GRU将Question编码成向量。（不同的是，最后只输出最后的隐层向量即可，而不需要像Input模块那样，输入是句子时，会输出句长个向量）。
• q向量除了用于Attention外，还会作为Memory模块GRU的初始隐层状态。

3，Episodic Memory Module

这部分主要有三部分：注意力机制、记忆更新、多次迭代。

• Attention Mechanism：注意力机制：这里使用一个门控函数作为Attention。
  输入是本时刻的输入c，前一时刻的记忆m和问题q。首先计算相互之间的相似度作为特征向量传入一个两层的神经网络，最终计算出来的值就是门控函数的值，也就是该输入与问题之间的相似度。（G是得分函数）
  
  

• Memory Update Mechanism：记忆更新：计算出门控函数的值之后，根据其大小对记忆进行更新。更新方法就是GRU算出的记忆乘以门控值，再加上原始记忆乘以1-门控值。
  

• Need for Multiple Episodes：每次迭代关注不同的内容，这样传递推导，检索不同的信息。

3,Answer Module

使用GRU最为本模块的模型，根据memory模块最后的输出向量（将其作为初始隐层状态），然后输入使用的是问题和上一时刻的输出值连接起来（每个时刻都是用q向量）。并使用交叉熵损失函数作为loss进行反向传播训练。