Supervised versus Unsupervised MultiTask Learning for C
作者:禅与计算机程序设计艺术
1.简介
1.1 背景
在当前疫情防控与抗疫斗争中,多任务学习被广泛认为是一种研究热点。它可使机器学习模型同时处理多个相关任务并具备良好泛化能力。然而,在将多任务学习应用于COVID-19检测与舆情分析时仍面临诸多挑战:包括如何合理选取训练样本、恰当设定评价指标、有效防止过拟合以及优化集成方法等问题。因此,本文旨在探讨监督学习与无监督学习这两种主要方法,并从深度学习角度深入分析如何运用监督学习技术同时处理这两个重要任务——COVID-19检测与舆情分析的技术路径与理论框架。
1.2 研究目的和意义
COVID-19检测的主要目标是识别、分类并提供相关细节关于疫情相关信息中的患者情况。舆情分析主要目的是从海量数据中提取有价值的信息包括社会关注度、舆论趋势以及公共政策倾向等信息。通过运用多任务学习方法我们希望能够开发出一个能够同时完成上述两项关键任务的模型。然而不同领域之间存在显著差异性并且实际应用场景具有复杂性这使得监督学习与无监督学习两种不同的学习方式之间也存在着巨大的区别因此本文将深入探讨多任务学习在各个领域的具体应用及其局限性并结合实际应用场景最终提出切实可行的解决方案以期通过本文的研究能够增进各位读者对多任务学习的理解强化对COVID-19检测与舆情分析的认识并为探索多任务学习在实际应用中的新思路提供新的视角
2.基本概念术语说明
2.1 监督学习
我们称这种机器学习技术为监督学习。其核心目标是基于输入-输出样本对的数据集进行模型训练。这一过程被称为"监督"(supervision),这是因为这些输入数据包含预设的标准答案(ground truth)。在实际应用中,我们通常会使用这样的数据来指导模型的学习过程。)在有鉴于此的基础上(即有鉴于此的基础之上),我们可以将监督学习主要分为三种类型:分类任务(classification)、回归任务(regression)以及聚类任务(clustering)。下面我们将深入探讨这三类典型的学习场景及其对应的解决方案机制。
(1)分类
分类属于监督学习的一种细分领域,在其框架下旨在识别有限种类的具体结果。例如,在图像识别任务中, 我们可能会涉及识别图片中是否存在猫或狗, 或者判断一封电子邮件是否属于垃圾邮件类别。在处理这类问题时, 常用的方法包括分类决策树、Naive Bayes算法、逻辑回归模型以及支持向量机等机器学习模型。
a.二元分类
当输出变量仅有两个状态(如0或1)时,则属于二元分类问题。例如,在一个任务中旨在识别肿瘤性质时(即判断其是否恶性和良性),我们可以将标签限定在{0,1}范围内。
b.多元分类
当输出变量能够取多个可能的数值,并且这些数值都对应一个实数时,则可将其归类为多元分类问题。在实际应用中,例如在一个任务中需要预测动物种类的情况下,则标签集合通常包含{1,2,3,…}等整数序列,并且每个整数都代表不同种类的动物。
(2)回归
在监督学习中,回归被视为一种特定类型的方法。它主要关注的是通过模型建立输入与连续型的目标变量之间的关系。我们可能会尝试预测房价、销售总额以及股市波动幅度等不同的指标。解决这类问题时,常用的方法包括线性回归和多项式回归等技术。
(3)聚类
在监督学习中,聚类被视为一个重要的分支领域。其主要目标是将具有相似特征的数据实例归并至同一数据簇中。例如,在实际应用中,我们可能会根据不同的需求对用户进行分类处理、将其顾客进行分类处理或是对网页文档进行主题分类等操作。在解决实际问题时,常用的方法包括K-均值算法以及层次聚类方法等。
2.2 无监督学习
非有监督的学习被视为机器学习的一种替代方法。其主要任务是在无需明确指导的情况下识别数据集中的潜在模式和结构。非有监督学习可分为三类:其中包括基于密度的聚类、基于关联规则的关系分析以及深度学习技术。接下来我们将深入探讨无监督学习中的各类具体方法及其应用。
(1)密度聚类
在无监督学习领域中,密度聚类被视为一种专门的技术。该方法通过分析数据分布模式,在相似实例之间建立联系,并将其分组到同一集群中。这些算法涵盖了DBSCAN、HDBSCAN、谱聚类以及流形学习等技术。
(2)关联规则学习
在无监督学习领域中存在一种特定的学习模式被称为关联规则学习,在这种模式下研究者们致力于探索数据集中的潜在关系并揭示这些关系的本质特征。该方法不仅能够识别频繁同时出现的事物,并且能够揭示它们之间的内在联系;其主要任务在于识别数据集中潜在的关联模式;该方法不仅能够识别频繁同时出现的事物,并且能够揭示它们之间的内在联系;在实际应用中人们常用Apriori算法来实现这一目标
(3)深度学习
深度学习是无监督学习的一个分支领域,在其中旨在实现高度灵活且具备自主学习能力的目标。深度学习涉及多种算法,在其中应用广泛的是卷积神经网络、递归神经网络以及自编码器。
深度学习是无监督学习的一个分支领域,在其中旨在实现高度灵活且具备自主学习能力的目标。深度 learning 涉及多种算法,在其中应用广泛的是 convolutional neural networks、recurrent neural networks 以及 autoencoders。
2.3 多任务学习
多任务学习属于机器学习的一个前沿领域。该方法可使模型同时处理多个相关任务。它不仅有助于优化分类、回归和聚类等问题的表现,并能显著提升整体性能。以下几点优势突出:其一,能够有效平衡不同目标间的冲突;其二,在有限数据下表现优异;其三,在复杂场景中具有良好的扩展性。
- 模型展现出卓越的泛化能力,在综合分析多维度数据时能够获取来自不同领域的知识,并显著提升其泛化性能。
- 优化后的学习效率得以实现,在整体性能提升的基础上可以让优化过程更快收敛至全局最优解。
- 降维处理有助于有效降低输入空间维度,并实现更为高效的表示形式。
2.4 本文研究范围
本文将系统探讨基于深度学习的多任务学习方法在两个密切相关的领域——COVID-19检测与舆情分析中的应用。具体而言,我们将会深入探讨:
- COVID-19检测任务。这个任务的目标是识别并分类发布的疫情相关信息中的患者相关内容。这项任务需要模型既要能够准确识别疫情相关信息,又要能够处理疫情相关信息中的噪声和歧义。
- 舆情分析任务。这个任务的目标是自动从海量数据中提取有价值的信息。舆情分析需要模型既要能够识别重要的信息,又要能够捕捉关键的事件或主题。
此外,在探讨完上述两大核心内容后,本文还将深入阐述其他相关领域中的任务——文本匹配、摘要生成、机器翻译、情感分析以及图像分类——在实际应用中的具体情况与技术实现路径。
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
3.1 COVID-19检测任务
主要目的是辨识与分类发布的相关资讯中的患者相关信息。该检测工作不仅要求模型具备准确辨识相关资讯的能力,并且还需要其具备处理干扰信息与模糊内容的能力。
3.1.1 数据集准备
首先,在本研究中我们系统地收集了大量疫情相关数据资料,并对所涉及的各类信息进行了详细分类与整理工作。具体而言,在此我们将所有采集到的信息进行了标准化处理,并将其转化为可供分析建模的数据形式。在数据预处理阶段我们采用了包括词嵌入技术在内的多种方法来进行特征提取工作
- 通过统计分析,我们可以统计一些基础的特征,如字数、句子长度、词汇个数、词频、语法结构等,然后构造特征矩阵。这种方法简单易懂,但可能会丢失有用的信息。
- 使用深度学习的模型,比如卷积神经网络CNN、循环神经网络RNN和BERT等。这种方法能够捕获到上下文信息,并且效果好。但是需要大量的训练数据。
- 使用注意力机制。这种方法能够从长序列中捕获到有用的信息。但是需要考虑时间和空间复杂度。
接下来我们将进行数据的清理标记以及离线分割等前期准备工作 然后将整个数据样本分成 训练组 验证组 和 测试组 三部分
3.1.2 模型设计
我们能够应用一系列传统机器学习模型来解决各种问题,并且这些模型包括决策树、随机森林、支持向量机以及多层感知机等基础算法;此外,在复杂任务中还可以尝试采用深度学习模型中的卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)以及Transformer架构等方法
(1)分类器设计
我们可以通过多种途径设计多个分类器以实现对不同领域的内容识别
(2)融合策略设计
考虑到各个领域的独特性以及实际情况的多样性
(3)正则化参数设计
通过正则化参数设计,可以控制模型的复杂度,防止过拟合。
3.1.3 测试集结果评估
完成训练之后,在测试集上的模型性能进行评估。在这一过程中,我们能够测量精度、召回率以及F1-score等关键指标,并行绘制ROC曲线外,并行绘制PR曲线
3.2 舆情分析任务
舆情分析任务的主要目标是系统地收集、筛选和分析海量数据中的有价值信息。该过程不仅需要模型具备识别重要信息的能力,还需求具备捕捉关键事件或主题的能力。
3.2.1 数据集准备
首先是为了收集大量数据而采取行动。例如,在微博和微信等社交媒体平台获取实时更新的内容,并分析其中体现出来的公众态度、立场或潜在的购买倾向。通过多种筛选机制来确定关注的重点领域,并对选定的主题进行系统性分类处理后构建完整的数据集合。
3.2.2 摘要生成模型
为了提炼核心内容, 我们可以通过深度学习技术构建一个自动摘要系统。在无标签数据的情况下, 该系统将自动识别并整合文档中的全局语义特征, 无需依赖先验标注数据, 能够有效地捕捉长文本中的重要信息, 以提升摘要质量为核心目标的具体实现方式包括: 首先, 我们需要定义一个用于表示整个摘要生成过程的目标函数; 其次, 通过优化算法不断调整模型参数以达到最优状态; 最后, 在测试阶段利用训练好的模型对新输入文本进行处理和总结
将文本映射为向量形式,并采用注意力机制以实现信息提取。
通过注意力聚合模块捕获全局信息并完成特征提取。
对经注意力聚合处理后的向量实施降维操作以降低维度空间。
将聚类分析或主成分分析后的特征作为输入数据训练判别模型或分类器。
3.2.3 图像分类模型
为了提取关键信息,我们可以构建一个基于深度学习的图像分类模型。此问题无需标签数据支持,在此属于典型的无监督学习场景。具体来说,我们可以设计以下模型架构:输入层接收图像数据特征向量作为输入;随后的卷积层和池化层用于提取高阶抽象特征;最后全连接层完成类别预测任务。
- 将图像转化为向量表示形式的过程通常采用基于卷积神经网络(CNN)或其他类似架构(如ResNet)的方法实现。
- 通过聚类分析或主成分分析(PCA)得到的矢量化表示被用于构建输入数据集,并在此基础上训练判别模型以实现分类任务。
3.2.4 测试集结果评估
当完成训练之后,在测试集上对模型性能进行评估是一个重要的步骤。通过以下方式来评估模型性能:计算准确率、召回率以及F1分数等关键指标,并且还可以绘制ROC曲线和PR(Precision-Recall)曲线图。
4.具体代码实例和解释说明
4.1 COVID-19检测模型实现
这里给出了一个基于LSTM的模型的实现示例。模型的主要步骤包括:
- 数据预处理阶段:读取数据并执行标准化处理以获得统一的特征表示形式;
- 模型设计阶段:基于序列结构构建深度学习模型并通过监督学习算法对模型参数进行优化;
- 测试集评估阶段:计算分类器的关键性能指标如准确率、精确率、召回率等,并生成对应的ROC曲线;
import torch
from torch import nn
from torchtext import data
from sklearn.metrics import classification_report
class LSTMClassifier(nn.Module):
def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim, n_layers=2, dropout=0.5):
super().__init__()
self.hidden_dim = hidden_dim
self.n_layers = n_layers
self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)
# LSTM layer
self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, num_layers=n_layers, batch_first=True)
# Fully connected layer
self.fc = nn.Linear(hidden_dim, output_dim)
def forward(self, x):
h0 = nn.Parameter(torch.zeros(self.n_layers, x.size(0), self.hidden_dim).to(x.device))
c0 = nn.Parameter(torch.zeros(self.n_layers, x.size(0), self.hidden_dim).to(x.device))
lstm_out, (hn, cn) = self.lstm(x, (h0,c0))
out = lstm_out[:, -1, :]
out = self.dropout(out)
out = self.fc(out)
return out
def main():
TEXT = data.Field()
LABEL = data.LabelField()
train_data, test_data = datasets.IMDB.splits(TEXT, LABEL)
MAX_VOCAB_SIZE = 25_000
TEXT.build_vocab(train_data, max_size=MAX_VOCAB_SIZE)
LABEL.build_vocab(train_data)
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
INPUT_DIM = len(TEXT.vocab)
EMBEDDING_DIM = 300
HIDDEN_DIM = 256
OUTPUT_DIM = 2
N_LAYERS = 2
BATCH_SIZE = 32
DROPOUT = 0.5
model = LSTMClassifier(INPUT_DIM, EMBEDDING_DIM, HIDDEN_DIM, OUTPUT_DIM, N_LAYERS, DROPOUT)
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters())
train_iterator, valid_iterator, test_iterator = data.BucketIterator.splits((train_data, valid_data, test_data),
batch_size=BATCH_SIZE,
device=device)
def accuracy(preds, y):
"""Compute the accuracy of prediction."""
correct = (torch.max(pred, dim=1)[1].squeeze() == y).float().sum()
acc = correct / float(y.shape[0])
return acc
best_valid_loss = float('inf')
for epoch in range(N_EPOCHS):
start_time = time.time()
train_loss = train(model, train_iterator, optimizer, criterion=loss_fn)
end_time = time.time()
valid_loss = evaluate(model, valid_iterator, criterion=loss_fn)
if valid_loss < best_valid_loss:
best_valid_loss = valid_loss
torch.save(model.state_dict(), f'model_{epoch}.pt')
print(f'\tEpoch {epoch+1}, Train Loss: {train_loss:.3f}, Valid Loss: {valid_loss:.3f}')
model.load_state_dict(torch.load(f'model_{best_valid_loss}.pt'))
test_loss, test_acc = evaluate(model, test_iterator, criterion=loss_fn)
y_true = []
y_pred = []
with torch.no_grad():
for batch in test_iterator:
text, label = batch.text, batch.label
predictions = model(text).argmax(1).tolist()
labels = label.tolist()
y_true += labels
y_pred += predictions
report = classification_report(y_true, y_pred, target_names=['Negative', 'Positive'], digits=4)
print(report)
if __name__ == '__main__':
main()
代码解读
4.2 舆情分析模型实现
这里给出了一个基于BERT的模型的实现示例。模型的主要步骤包括:
- 在数据预处理阶段中进行操作时,在线加载数据集并构建完整的标准化数据集。
- 在模型设计阶段中进行操作时,在线设计分类模型并对其进行训练。
- 在测试集评估阶段中进行操作时,在线计算模型性能指标并生成ROC曲线等评估图表。
import pandas as pd
import numpy as np
import transformers
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import precision_recall_fscore_support, accuracy_score
class BERTClassifier(transformers.PreTrainedModel):
def __init__(self, config):
super().__init__(config)
self.num_labels = config.num_labels
self.bert = transformers.BertModel(config)
self.dropout = nn.Dropout(config.hidden_dropout_prob)
self.classifier = nn.Linear(config.hidden_size, config.num_labels)
self.init_weights()
def forward(self, inputs):
outputs = self.bert(**inputs)
pooled_output = outputs[1]
pooled_output = self.dropout(pooled_output)
logits = self.classifier(pooled_output)
return logits
def read_dataset(file_path):
df = pd.read_csv(file_path)
X = df['content'].values.tolist()
y = df['sentiment'].values
encoder = {'neg': 0, 'pos': 1, 'neu': 2}
le = LabelEncoder()
le.fit(encoder.keys())
y = le.transform([x[0] for x in y])
return list(zip(X, y)), len(le.classes_)
def load_dataset(tokenizer, file_path):
dataset, num_labels = read_dataset(file_path)
examples = tokenizer.batch_encode_plus([x[0] for x in dataset], padding='max_length', truncation=True, max_length=512)
features = []
for i, example in enumerate(examples['input_ids']):
feature = {}
feature["input_ids"] = example
feature["attention_mask"] = examples["attention_mask"][i]
feature["token_type_ids"] = [0]*len(example)
feature["label"] = dataset[i][1]
features.append(feature)
return features, num_labels
def tokenize_and_align_labels(batch, tokenizer, labels):
tokenized_inputs = tokenizer(batch["sentence"], padding="max_length", truncation=True, max_length=512)
labels = [{"label": str(l)} for l in labels]
aligned_labels = []
for label in labels:
label["start_position"] = None
label["end_position"] = None
try:
char_start_positions = [m.start() for m in re.finditer(label["label"], tokenized_inputs["input_ids"][0])]
char_end_positions = [m.end() for m in re.finditer(label["label"], tokenized_inputs["input_ids"][0])]
word_start_positions = [int(np.floor(idx/float(len(tokenized_inputs["input_ids"][0]))*len(char_start_positions))) for idx, pos in enumerate(char_start_positions)]
word_end_positions = [int(min(np.ceil(idx/float(len(tokenized_inputs["input_ids"][0]))*len(char_end_positions))+1, len(char_end_positions))) for idx, pos in enumerate(char_end_positions)]
matched_indices = [(wst, wen) for wst, wen in zip(word_start_positions, word_end_positions) if wen > wst][:len(char_start_positions)]
if not matched_indices or len(matched_indices)!= len(char_start_positions):
raise ValueError("Something is wrong")
subwords_in_chars = [[m.start(), m.end()] for m in re.finditer('[A-Za-z]+', tokenized_inputs["tokens"][0])]
matched_subwords = set()
for st, en in matched_indices:
found = False
for sst, sen in subwords_in_chars:
if st >= sst and en <= sen:
matched_subwords.add((sst, sen))
found = True
break
if not found:
continue
labeled_indices = sorted([(i,j) for i, j in matched_subwords], key=lambda x: x[0]-x[1])
assert all([isinstance(li[0], int) and isinstance(li[1], int) for li in labeled_indices]), "Wrong indices"
words_with_label = [" ".join(tokenized_inputs["tokens"][0][li[0]:li[1]]) for li in labeled_indices]
labeled_texts = [' '.join(words_with_label[:k])+f"[LABEL]{words_with_label[-1]}" for k in range(1, len(words_with_label)+1)]
alignment_map = [-1]*len(tokenized_inputs["input_ids"][0])
for wi, li in enumerate(labeled_indices[:-1]):
align_start = sum(len(tk) for tk in tokenized_inputs["tokens"][0][:li[1]] + tokenized_inputs["tokens"][0][:li[0]][::-1]) - len(tokenized_inputs["tokens"][0][:li[0]])
align_end = align_start + len("[LABEL]")
alignment_map[align_start:align_end] = [wi]*len(alignment_map[align_start:align_end])
last_wi = len(labeled_indices)-1
align_start = sum(len(tk) for tk in tokenized_inputs["tokens"][0][:labeled_indices[last_wi][1]])
align_end = align_start + len(words_with_label[-1])
alignment_map[align_start:] = [last_wi]*len(alignment_map[align_start:])
label["start_position"] = alignment_map.index(-1)
label["end_position"] = alignment_map.index(-1)
except Exception as e:
pass
aligned_labels.append(label)
tokenized_inputs["labels"] = aligned_labels
return tokenized_inputs
def compute_metrics(eval_pred):
predictions, labels = eval_pred
predictions = np.argmax(predictions, axis=1)
precision, recall, f1, _ = precision_recall_fscore_support(labels, predictions, average='binary')
acc = accuracy_score(labels, predictions)
return {"accuracy": acc, "precision": precision, "recall": recall, "f1": f1}
if __name__ == "__main__":
SAVE_DIR = "./models/"
MODEL_NAME = "bert-base-uncased"
NUM_LABELS = 2
DEVICE = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
_, num_labels = load_dataset(None, './datasets/twitter.csv')
print("# Labels:", num_labels)
tokenizer = transformers.BertTokenizer.from_pretrained(MODEL_NAME)
data_collator = DataCollatorForTokenClassification(tokenizer)
train_data, val_data = load_dataset(tokenizer, './datasets/twitter.csv')
train_dataset = Dataset.from_dict(train_data)
val_dataset = Dataset.from_dict(val_data)
train_dataset = train_dataset.map(tokenize_and_align_labels, batched=True, fn_kwargs={"tokenizer": tokenizer})
val_dataset = val_dataset.map(tokenize_and_align_labels, batched=True, fn_kwargs={"tokenizer": tokenizer})
model = BERTClassifier.from_pretrained(MODEL_NAME, num_labels=NUM_LABELS)
model.to(DEVICE)
training_args = TrainingArguments(
output_dir=SAVE_DIR, # output directory
num_train_epochs=10, # total number of training epochs
per_device_train_batch_size=16, # batch size per device during training
per_device_eval_batch_size=16, # batch size for evaluation
warmup_steps=500, # number of warmup steps for learning rate scheduler
weight_decay=0.01, # strength of weight decay
logging_dir="./logs/", # directory for storing logs
save_total_limit=1,
fp16=True, # use FP16 instead of FP32
seed=42,
)
trainer = Trainer(
model=model, # the instantiated 🤗 Transformers model to be trained
args=training_args, # training arguments, defined above
train_dataset=train_dataset, # training dataset
eval_dataset=val_dataset, # evaluation dataset
data_collator=data_collator, # collator that will dynamically pad the batches
callbacks=[EarlyStoppingCallback(early_stopping_patience=3)], # callback that performs early stopping
compute_metrics=compute_metrics # function that computes metrics at evaluation
)
trainer.train()
trainer.evaluate()
代码解读
5.未来发展趋势与挑战
当前多任务学习已被广泛认为是许多科研课题的研究热点
6.附录常见问题与解答
6.1 什么是多任务学习?
多任务学习属于机器学习的一个前沿领域,在监督学习中支持模型一起处理多个相关任务的同时进行训练,在这种情况下能帮助模型更有效地预测未知的数据。而在无监督学习中,则通过从非结构化的数据中发现潜在模式并进行分类、聚类等功能性的操作。多任务学习的应用范围多样化,在计算机视觉、自然语言处理、推荐系统以及生物信息学等多个领域都有广泛的应用。
6.2 为什么要用多任务学习?
- 减少训练成本的投入,在多任务学习下能有效降低成本。
- 增强机器学习系统的能力,在多个领域中综合运用知识后能显著提升预测性能。
- 防止过拟合问题导致较低的训练误差的同时处理多个任务能有效减少整体错误率.
- 采用多任务学习能在实际应用中显著提高系统的泛化能力 并且由于不同场景下的关联性强这一方法更具优势.
