Towards Better Modeling Hierarchical Structure for Self-Attention with Ordered Neurons

2019 EMNLP
Tencent AI Lab

Introduction

结合了SAN和递归神经网络（RNN）优势的混合模型在机器翻译任务上的性能优于两种单独的体系结构。
我们可以将传统RNNs替换为 Ordered Neurons LSTM（ON-LSTM）。ON-LSTM通过引入面向语法的归纳偏置，更擅长于对层次结构进行建模，这使RNN可以通过控制神经元的更新频率来执行树状合成。

Approch

我们将SAN编码器堆叠在RNN编码器之上，以形成级联编码器。
在级联编码器中，底层RNN编码器中增强了层次结构建模，因此SAN编码器能够提取具有更丰富层次信息的表示形式。公式为：

其中，E_{NC_RNNs(·)} 是一个K层的RNNs，E_{NC_SANs(·)} 是一个L层的 SANs encoder，它用RNNs的输出作为自身的输入。

Ordered Neurons

Ordered Neurons（有序神经元）可以使LSTM模型能够执行树状组合而不会破坏其顺序形式。Ordered Neurons 可以通过控制神经元的更新频率来动态分配神经元，以表示不同的时间尺度依赖性。预期的神经元背后的假设是，某些神经元总是比其他神经元更频繁（或更少）更新，并且这种现象是作为模型架构的一部分预先确定的。其公式为：

Master forget gate $\widetilde{f}_t$ 和 master input gate $\widetilde{i}_t$ 分别控制擦出和写入的行为， $\widetilde{w}_t$ 表明了重叠部分。

Ideal master gate 采用二进制格式，例如（0,0,1,1,1）。它将单元状态分为两个连续的部分：0-part和1-part。对应0-part和1-part的神经元的更新频率分别对应more和less。因此0-part的神经元中的信息只会保持几个时间步长，而1-part的神经元中的信息会保持更多的时间。由于这种二进制门不可微，因此目标转向寻找分裂点d（ideal master gate中第一个1的索引）。

A New Activation Function

softmax提供了概率分布，例如（0.1, 0.2, 0.4, 0.2, 0.1），表示每个位置成为分割点d的概率。CUMSUM是累计分布函数，第k个概率是d落在前k个位置内的概率。上面例子的输出为（0.1,0.3,0.7,0.9,1.0）。不同的值表示不同的更新频率。它也等于ideal master gate中每个位置的值为1的概率。
CU（·）是ideal master gate的期望。
因此，master gates 被定义为：

is the current input and is the hidden state of previous step.

Short-Cut Connection

Add the output of the ON-LSTM encoder to the output of SANs encoder：

Where ∈ is the output of ON - LSTM encoder, and ∈ is output of SANs encoder.

Experiments

该模型可用于 Machine Translation，Targeted Linguistic Evaluation 和 Logical Inference，均取得了更好的效果。