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63-束搜索.md

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束搜索

在序列生成问题中,常用的方法是一个个词元地进行生成,但是先前步生成的词元会影响之后词元的概率分布,为此,我们需要使用搜索算法来得到一个较好的序列

贪心搜索

贪心搜索即每个时间步都选择具有最高条件概率的词元。 $$ y_{t'} = \operatorname*{argmax}{y \in \mathcal{Y}} P(y \mid y_1, \ldots, y{t'-1}, \mathbf{c}) $$ 我们的目标是找到一个最有序列,他的联合概率,也就是每步之间的条件概率的乘积,最大。 $$ \prod_{t'=1}^{T'} P(y_{t'} \mid y_1, \ldots, y_{t'-1}, \mathbf{c}) $$ 然而,贪心搜索很可能搜索到的不是最优解,例如:

左侧的搜索方式为贪心搜索,每次找到当前条件概率最大的选项进行预测,但是这样可能会导致之后的条件概率较小,从而导致最终的联合概率较小,生成的序列不优。

而右侧的选择方式虽然在第二步选择了较小的选项,但之后在第三步时有了条件概率为0.6选项,最终结果反而更好。

穷举搜索

穷举搜索枚举所有可能的输出序列及其概率,然后选择概率最大的作为最终的输出,枚举搜索可以保证得到最优解,但是计算复杂度很高,难以实现

束搜索(beam search)

束搜索综合了贪心搜索和穷举搜索,在能接受的计算成本下得到比贪心搜索更好的结果。

束搜索有一个超参数,名为束宽(beam size)$k$,束搜索的具体流程如下:

  • 1:在第一时间步选择条件概率最高的k个选项

  • 2:对随后的每个时间步,基于上一时间步的k个候选输出序列预测这一时间步的所有可能选项的条件概率,从中取k个最大的

  • 3:最后基于每步得到的序列,删去截止符和其后元素,获得最终候选序列集合,取出加权条件概率最大的

加权条件概率公式如下: $$ \frac{1}{L^\alpha} \log P(y_1, \ldots, y_{L}\mid \mathbf{c}) = \frac{1}{L^\alpha} \sum_{t'=1}^L \log P(y_{t'} \mid y_1, \ldots, y_{t'-1}, \mathbf{c}), $$ 式中$\frac{1}{L^\alpha}$用于调整长序列的评估值使得长短序列间的比较公平

束宽k的选择:

  • k=1时实际为贪心搜索
  • k越小搜索速度越快,但结果越差,k越大则搜索速度越慢,但结果越好

束搜索只在测试时使用