Language Model(LM)이란?#

언어 모델이라는 건, 사실 다음에 올 단어를 확률로 예측하는 것이다.

이러한 언어 모델들을 어떻게 발전시켜왔는 지 살펴보자.

n-gram Language Model#

이미 이전 포스트에서 자세히 살펴보았던 내용이다.
이전 n-1개의 단어들을 보고 다음 단어를 예측하는 언어모델이다.

이제 count함수로 확률을 계산하게 된다.

참고로, 저 순서의 조합대로 있어야 세는 거다.
그러다보니 n이 커질수록 해당 조합이 없을 가능성이 점점 높아진다.

그러다보니 다음과 같은 문제가 생긴다.

1. Sparsity Problem
   특정 조합이 아에 없어서 말이 되는 말임에도 불구하고 확률이 0이 되어비리는 문제.
   해결방안은 다음과 같다.
   1. smoothing 기법
      대충 0이 안 되게 확률에 약간의 값들을 모두 일정하게 더해주거나(additive), n이 서로 다른 n-gram 모델들 가중 평균으로 합쳐서 확률을 계산해주거나(interpolation), 기존 확률에서 약간의 값을 빼내서 새롭게 관측된 애들한테 나눠주는 방식(discounting)이 있다.
   2. backoff
      계산할 때 n을 줄여서 계산해 버린다. 그럼 해당 순서의 조합이 있을 가능성이 높아지기 때문.
2. Storage Problem
   모든 n-gram들의 순열에 대해서 전부 저장해줘야 하기 때문에 저장 공간이 많이 필요하게 된다.

Perplextiy(ppl)#

혼잡도 인데 cross-entropy loss를 exponential 해버린 것과 동일한 의미이다.

loss와 마찬가지로 ppl이 적을수록 좋다.

Fixed-window Neural Language Model#

n-gram 언어모델이 sparsity(말이 되는 말을 0으로 만들어 버림)와 storage(n-gram 순열들 모두 저장해야 함) 문제가 있었기 때문에 신경망 모델로 해결하고자 했다.

fixed-window 크기만큼의 단어를 확인해서 학습하는 방식이다.

각 단어에 대해서 신경망을 통해 학습한다. (사실, binary logistic regression unit 들을 여러 개 쌓아올린 것과 같다.)

Improvement#

W와 U에 각 단어의 의미를 일반화시켜 저장하기 때문에 sparsity 문제도 해결되고, 마찬가지의 이유로 n-gram을 저장할 필요가 없으니 저장 메모리 문제도 해결된다.

Remaining Problem#

윈도우가 너무 작아도 문제이고 그렇다고 키우면 W가 너무 커진다. 그래서 긴 문맥은 이 fixed window로는 감당이 안 되어 버린다.
그리고 결정적으로 각 단어가 위치마다 다른 가중치를 사용해서 같은 단어인데 위치에 따라 다른 의미라고 받아들여진다. → No symmetry

Recurrent Neural Network (RNN)#

아이디어: 같은 파라미터 W를 반복해서 적용시키면 해결되지 않을까? 라는 아이디어로 해결하고자 함.
그래서 나온 것이 RNN이다.

매번 같은 $W_{h}$, $W_{e}$를 사용하고 이전 은닉층의 값을 이용해 현재 은닉층의 값을 계산하는 방식이다.
비선형성을 위해 각 은닉층의 결과에 $\sigma$를 추가해 준다. 그리고 마지막 결과로는 $\text{softmax}$를 해서 확률로 결과를 내보내는 형식이다.

Advantage#

긴 문장도 처리가 가능해진다.
같은 파라미터를 반복해서 사용하므로 메모리가 절약된다.
또한 같은 파라미터를 사용해서 symmetry 를 가질 수 있게 되었다.

Disadvantage#

그러나 매번 모든 step을 다 계산해줘야 하므로 느리다.
또한 너무 많은 step들이 지나면 해당 정보를 잃어버려서 기억할 수 없게 된다.
→ 해당 부분들은 뒤에서 좀 더 자세히 다뤄보자.

RNN의 손실함수 계산#

$h^t$ 즉, t번 째 은닉층의 손실값에 대한 Gradient ($W_h$로 편미분한 Gradient이다) 를 계산하려면 $h^0$ ~ $h^{t-1}$r과 현재 층 $h^t$의 gradient를 모두 더해줘야 한다.
왜냐하면 $W_{h}$를 반복해서 사용하기 떄문에 $W_{h}$가 매 은닉층마다 영향을 끼치기 때문에 모든 은닉층의 Gradient들을 더해줘야 한다.

근데 바로 여기서 Vanishing Gradient와 Exploding Gradient 문제가 발생한다.

Problems with RNNs: Vanshing and Exploding Gradients#

Vanishing Gradient#

$h^4$에서 Gradient를 계산할 때, $\frac{\sigma J^4}{\sigma h^4}$ 와 $\frac{\sigma J^4}{\sigma h^1}$ 을 모두 더해줘야 하는데(물론 2,3 도 더해줘야 하는데 생략하자), $\frac{\sigma J^4}{\sigma h^4}$에 비해 $\frac{\sigma J^4}{\sigma h^1}$은 $\frac{\sigma h^2}{\sigma h^1} \times \frac{\sigma h^3}{\sigma h^2} \times \frac{\sigma h^4}{\sigma h^3}$ 을 더 곱해줘야 하는데 이 값들이 만약 1보다 작다면 당연히 값이 줄어들 것이다.
즉, 최근 은닉층에 비해 옛날 은닉층의 값이 작아져서 그만큼 예전에 했던 말을 기억하지 못 하게 된다.
그러다보니 이 vanishing gradient 문제로 인해 오래 전 말을 기억하지 못하게 된다.

Exploding Gradient#

반대로 1보다 큰 값을 여러 번 곱해서 값이 너무 커지게 되면, 업데이트를 할 때 한 번에 너무 큰 step을 가게 된다.

이런 식으로 목표를 자꾸 지나쳐 버리게 된다는 의미다.

그래도 이건 Gradient Clipping으로 어느 정도 완화가 가능하다.

Gradient Clipping#

Gradient가 threshold보다 커지면 threshold로 줄이는 방식으로 해결이 가능하다

하지만 그럼 Vanishing Gradient는 어떻게 해결해야 하는 걸까?#

• 아이디어1: RNN에다가 분리된 메모리셀을 저장한 후에 이걸 더해서 이전 껄 기억해 볼 수 있지 않을까? → 이게 LSTM의 아이디어이다.
• 아이디어2: 더 나아가서 직접 연결을 만들어서 정보를 바로 넘기면 어떨까? → Attention, Residual Connection 등