ESIM（Enhanced Sequential Inference Model）- 模型详解

Esim：

ESIM（Enhanced Sequential Inference Model）是一个综合应用了BiLSTM和注意力机制的模型，在文本匹配中效果十分强大，也是目前为止非常最复杂的模型。

首先什么是文本匹配，简单来说就是分析两个句子是否具有某种关系，比如有一个问题，现在给出一个答案，我们就需要分析这个答案是否匹配这个问题，所以也可以看成是一个二分类问题（输出是或者不是）。现在主要基于SNIL和MutilNLI这两个语料库，它们包含两个句子premise和hypothesis以及一个label，label就是判断这两个句子的关系，接下来我们分析esim如何做的文本匹配的分析。

就像上面提到的，这个问题简单来说就是输入两个句子，输出一个label，这里一共有三个label（neutral（中性）、contradiction（矛盾）、entailment（蕴含）），那么我们就可以简单地用下图表示这个模型：

模型结构：

ESIM一共包含四部分，Input Encoding、Local Inference Modeling、Inference Composition、Prediction

Input Encoding

既然输入是两个句子，首先肯定是做word embedding了，方法有很多，这里假设直接用预训练的word2vec把句子转换成矩阵，注意，这时候我们得到的向量因为是基于word2vec预训练的向量得到的，并没有反映出句子中的前后文联系，所以我们这里继续利用BiLSTM再重新转换一下，得到最终的输入变量：

上面的ai、bi就是premise和hypothesis的某个单词的表示，这个过程就是ESIM中的input encoding过程。

我们先看一下这一层结构的输入内容，输入一般可以采用预训练好的词向量或者添加embedding层，接下来就是一个双向的LSTM，起作用主要在于对输入值做encoding，也可以理解为在做特征提取，最后把其隐藏状态的值保留下来，其中i与j分别表示的是不同的时刻，a与b表示的是上述提到的p与h。

Local Inference Modeling

这一层的任务主要是把上一轮拿到的特征值做差异性计算。这里作者采用了attention机制，其中attention weight的计算方法如下：

就是需要分析这两个句子之间的联系，具体怎么分析，首先要注意的是，我们现在得到的句子和单词的表示向量，是基于当前语境以及单词之间的意思综合分析得到的，那么如果两个单词之间联系越大，就意味着他们之间的距离和夹角就越少，比如（1，0）和（0，1）之间的联系，就没有（0.5，0.5）和（0.5，0.5）之间的联系大。在理解了这一点之后，我们再来看看ESIM是怎么分析的。

正如之前所说的，如果两个词向量联系较大，那么乘积也会较大，然后：

这两条公式是整个ESIM的精髓所在，上述几条公式的目的，简单来说可以这样理解，比如a中有一个单词"good"，首先我分析这个词和另一句话中各个词之间的联系，计算得到的结果e{ij}标准化后作为权重，用另一句话中的各个词向量按照权重去表示"good"，这样一个个分析对比，得到新的序列。以上过程称为Local Inference Modelling（本地推理模型）。

得到encoding值与加权encoding值之后，下一步是分别对这两个值做差异性计算，作者认为这样的操作有助于模型效果的提升，论文中有两种计算方法，分别是对位相减与对位相乘，最后把encoding两个状态的值与相减、相乘的值拼接起来。

很明显，这一步就是分析差异，从而判断两个句子之间的联系是否足够大了，ESIM主要是计算新旧序列之间的差和积，并把所有信息合并起来储存在一个序列中：

Inference Composition（合成推理）

为什么要把所有信息储存在一个序列中，因为ESIM最后还需要综合所有信息，做一个全局的分析，这个过程依然是通过BiLSTM处理这两个序列：

在这一层中，把之前的值再一次送到了BiLSTM中，这里的BiLSTM的作用和之前的并不一样，这里主要是用于捕获局部推理信息及其上下文，以便进行推理组合。

值得注意的是，F是一个单层神经网络（ReLU作为激活函数），主要用来减少模型的参数避免过拟合，另外，上面的t表示BiLSTM在t时刻的输出。

最后把BiLSTM得到的值进行池化操作，分别是最大池化与平均池化，并把池化之后的值再一次的拼接起来。

 因为对于不同的句子，得到的向量v长度是不同的，为了方便最后一步的分析，这里进行了池化处理，把结果储存在一个固定长度的向量中。值得注意的是，因为考虑到求和运算对于序列长度是敏感的，因而降低了模型的鲁棒性，所以ESIM选择同时对两个序列进行average pooling和max pooling，再把结果放进一个向量中：

Prediction

最后把V 送入到全连接层，激活函数采用的是 tanh，得到的结果送到softmax层。

总结：

ESIM与BiMPM在相似度匹配任务中都是使用较多的模型，但是ESIM训练速度快，效果也并没有逊色太多，如果加入了语法树，其最终效果也能进一步的提升。