【NQG】Paragraph-level Neural Question Generation with Maxout Pointer and Gated Self-attention Networks论文笔记

这篇文章主要处理了在问题生成（Question Generation，QG）中，长文本（多为段落）在seq2seq模型中表现不佳的问题。长文本在生成高质量问题方面不可或缺。

1. Introduction

QG可以让对话系统更积极主动，也可以生成更多的问题来丰富QA（Question Answering）系统，同时在教育领域的阅读理解方面也有应用。

QG主要分为rule-based和neural approach：

• rule-based：可以看作是一个fill-and-rank模型，提取目的句子的相关实体，填入人工编写的模板中，再根据rank方法选择一个或几个最合适的。优点是很流畅，缺点是很依赖人工模板，很难做到open-domain。

• neural approach：一般是改良的seq2seq模型。传统的encoder-decoder框架。

这篇文章针对的是answer-aware问题，即生成问题的答案显式得出现在给定文本的一部分或者几部分中。

针对段落生成的主要难点在于如何处理段落中的信息，即如何挑选出适合于生成问题的信息。

本文主要提出了一个改进的seq2seq模型，加入了maxout pointer机制和gated self-attention encoder。在之后的研究中可以通过加入更多feature或者policy gradient等强化学习的方式提升模型性能。

2. Model

2.1 question definition

\[\overline Q = \mathop {\arg \max }\limits_Q (\Pr ob\{ Q|P,A\} )\]

其中\(\overline Q\)代表生成的问题，\(P\)代表整个段落，\(A\)代表已知的答案。\(P\)，\(A\)以及\(\overline Q\)中的单词均来自于词典。

2.2 Passage and Answer Encoding

本文中使用了双向RNN来进行encode。

\[{u_t} = RN{N^E}({u_{t - 1}},[{e_t},{m_t}])\]

• Answer Tagging：

在上式中，\({u_t}\)表示RNN的hidden state，\({e_t}\)表示word embedding，\({m_t}\)表示这个词是否在answer中。\([{e_t},{m_t}]\)表示把这两个向量拼接起来。因为我们要生成跟答案相关的问题，所以这种思路也是比较自然的。

• Gated Self-Attention：

  这里的大部分思想与Gated Self-Matching Networks for Reading Comprehension and Question Answering这篇文章中关于gated attention-based以及self matching的论述类似。

门控自注意力机制主要解决以下问题：

• 聚合段落信息

• 嵌入（embed）段落内部的依赖关系，在每一时间步中优化P和A的嵌入表示。

主要步骤如下：

1. 计算self matching

\[{a^s}_t = soft\max ({U^T}{W^s}{u_t})\]
\[{s_t} = U{\rm{\cdot}}{{a}^s}_t\]

其中，\({a^s}_t\)是段落中所有encode的单词对当前\(t\)时刻所对应单词的之间的依赖关系的系数，注意，\(U\)表示从1到最后时刻所有的hidden state组成的矩阵，即表示passage-answer；\({s_t}\)表示段落中所有encode的单词对当前\(t\)时刻所对应单词的之间的依赖关系，也是self matching的表示。

【个人理解】：这里类似于self-attention，主要目的是刻画段落中不同单词对于生成问题的重要性（相关性），越相关的值越大，否则越小。

1. 计算gated attention

\[{f_t} = \tanh ({W^f}[{u_t},{s_t}])\]
\[{g_t} = sigmoid({W^g}[{u_t},{s_t}])\]
\[{\hat u_t} = {g_t} \odot {f_t} + (1 - {g_t}) \odot {u_t}\]

其中，\({f_t}\)表示新的包含self matching信息的passage-answer表示，\({g_t}\)表示一个可学习的门控单元，最后，\({\hat u_t}\)表示新的passage-answer表示，用来喂给decoder。

【个人理解】：gated attention可以专注于answer与当前段落之间的关系。

2.3 Decoding with Attention and Maxout Pointer

使用RNN

\[{d_t} = RN{N^D}({d_{t - 1}},{y_{t - 1}})\]
\[p({y_t}|\{ {y_{ < t}}\} ) = soft\max ({W^V}{d_t})\]

注意此处的\(y_t\)不作为最后的输出，还要经过一系列操作。

• Attention：
  用Attention得到一个新的decoder state
  \[{a^d}_t = soft\max ({{\hat U}^T}{W^a}{d_t})\]
  \[{c_t} = \hat U \cdot {a^d}_t\]
  \[{{\hat d}_t} = \tanh ({W^b}[{d_t},{c_t}])\]

• Copy Mechanism：
  \[{r_t} = {{\hat U}^T}{W^a}{d_t}\]
  \[{r_t} = \{ {r_{t,k}}\} _{k = 1}^M\]
  \[s{{c_t}^{copy}}({y_t}) = \sum\limits_{k,{x_k} = {y_t}} {{r_{t,k}}} ,{y_t} \in \chi \]
  \[s{{c_t}^{copy}}({y_t}) = - \inf ,otherwise\]
  \[s{{c_t}^{gen}}({y_t}) = {W^V}{d_t}\]

\[[F{D_t}^{gen},F{D_t}^{copy}] = soft\max ([s{c_t}^{gen},s{c_t}^{copy}])\]
\(F{D_t}^{gen}\)表示在t时刻生成新单词的final distrubution，\(F{D_t}^{copy}\)表示在t时刻copy单词的final distrubution。

\[\begin{array}{l}
{{\hat y}_t} = \arg \max ([F{D_t}^{gen},F{D_t}^{copy}]),{{\hat y}_t} \in gen\\
{{\hat y}_t} = \arg \max ([F{D_t}^{gen},F{D_t}^{copy}]) - |V|,{{\hat y}_t} \in copy
\end{array}\]
这里的\({{\hat y}_t}\)表示在index，相应的代表gen词表中或者copy词表（所有input的单词）中的单词index。

• Maxout Pointer:
  \[s{{c_t}^{copy}}({y_t}) = \max\limits_{k,{x_k} = {y_t}} {{r_{t,k}}} ,{y_t} \in \chi \]
  \[s{{c_t}^{copy}}({y_t}) = - \inf ,otherwise\]

注意：encoder部分的下标有误，不应全为\(t\)，应从\({u_1}\)递增至\({u_M}\)

PS：gated attention，self matching以及copy mechanism的解释还没有搞清楚，仅仅知道怎么处理。