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// Input of the form:
// " the phantom of the opera " tickets for <PHRASE> tonight ? ||| C=1 ||| seats for <PHRASE> ? </s> ||| C=1 ||| i see <PHRASE> ? </s> ||| C=1
// phrase TAB [context]+
// where context = phrase ||| C=... which are separated by |||
// Model parameterised as follows:
// - each phrase, p, is allocated a latent state, t
// - this is used to generate the contexts, c
// - each context is generated using 4 independent multinomials, one for each position LL, L, R, RR
// Training with EM:
// - e-step is estimating q(t) = P(t|p,c) for all x,c
// - m-step is estimating model parameters P(c,t|p) = P(t) P(c|t)
// - PR uses alternate e-step, which first optimizes lambda
// min_q KL(q||p) + delta sum_pt max_c E_q[phi_ptc]
// where
// q(t|p,c) propto p(t,c|p) exp( -phi_ptc )
// Then q is used to obtain expectations for vanilla M-step.
// Sexing it up:
// - learn p-specific conditionals P(t|p)
// - or generate phrase internals, e.g., generate edge words from
// different distribution to central words
// - agreement between phrase->context model and context->phrase model
import java.io.*;
import optimization.gradientBasedMethods.*;
import optimization.gradientBasedMethods.stats.OptimizerStats;
import optimization.gradientBasedMethods.stats.ProjectedOptimizerStats;
import optimization.linesearch.ArmijoLineSearchMinimizationAlongProjectionArc;
import optimization.linesearch.GenericPickFirstStep;
import optimization.linesearch.InterpolationPickFirstStep;
import optimization.linesearch.LineSearchMethod;
import optimization.linesearch.WolfRuleLineSearch;
import optimization.projections.SimplexProjection;
import optimization.stopCriteria.CompositeStopingCriteria;
import optimization.stopCriteria.NormalizedProjectedGradientL2Norm;
import optimization.stopCriteria.NormalizedValueDifference;
import optimization.stopCriteria.ProjectedGradientL2Norm;
import optimization.stopCriteria.StopingCriteria;
import optimization.stopCriteria.ValueDifference;
import optimization.util.MathUtils;
import java.util.*;
import java.util.regex.*;
import gnu.trove.TDoubleArrayList;
import gnu.trove.TIntArrayList;
import static java.lang.Math.*;
class PhraseContextModel
{
// model/optimisation configuration parameters
int numTags;
boolean posteriorRegularisation = true;
double constraintScale = 3; // FIXME: make configurable
// copied from L1LMax in depparsing code
final double c1= 0.0001, c2=0.9, stoppingPrecision = 1e-5, maxStep = 10;
final int maxZoomEvals = 10, maxExtrapolationIters = 200;
int maxProjectionIterations = 200;
int minOccurrencesForProjection = 0;
// book keeping
int numPositions;
Random rng = new Random();
// training set
Corpus training;
// model parameters (learnt)
double emissions[][][]; // position in 0 .. 3 x tag x word Pr(word | tag, position)
double prior[][]; // phrase x tag Pr(tag | phrase)
double lambda[]; // edge = (phrase, context) x tag flattened lagrange multipliers
PhraseContextModel(Corpus training, int tags)
{
this.training = training;
this.numTags = tags;
assert (!training.getEdges().isEmpty());
assert (numTags > 1);
// now initialise emissions
numPositions = training.getEdges().get(0).getContext().size();
assert (numPositions > 0);
emissions = new double[numPositions][numTags][training.getNumTokens()];
prior = new double[training.getNumEdges()][numTags];
if (posteriorRegularisation)
lambda = new double[training.getNumEdges() * numTags];
for (double[][] emissionTW : emissions)
{
for (double[] emissionW : emissionTW)
{
randomise(emissionW);
// for (int i = 0; i < emissionW.length; ++i)
// emissionW[i] = i+1;
// normalise(emissionW);
}
}
for (double[] priorTag : prior)
{
randomise(priorTag);
// for (int i = 0; i < priorTag.length; ++i)
// priorTag[i] = i+1;
// normalise(priorTag);
}
}
void expectationMaximisation(int numIterations)
{
double lastLlh = Double.NEGATIVE_INFINITY;
for (int iteration = 0; iteration < numIterations; ++iteration)
{
double emissionsCounts[][][] = new double[numPositions][numTags][training.getNumTokens()];
double priorCounts[][] = new double[training.getNumPhrases()][numTags];
// E-step
double llh = 0;
if (posteriorRegularisation)
{
EStepDualObjective objective = new EStepDualObjective();
// copied from x2y2withconstraints
// LineSearchMethod ls = new ArmijoLineSearchMinimizationAlongProjectionArc(new InterpolationPickFirstStep(1));
// OptimizerStats stats = new OptimizerStats();
// ProjectedGradientDescent optimizer = new ProjectedGradientDescent(ls);
// CompositeStopingCriteria compositeStop = new CompositeStopingCriteria();
// compositeStop.add(new ProjectedGradientL2Norm(0.001));
// compositeStop.add(new ValueDifference(0.001));
// optimizer.setMaxIterations(50);
// boolean succeed = optimizer.optimize(objective,stats,compositeStop);
// copied from depparser l1lmaxobjective
ProjectedOptimizerStats stats = new ProjectedOptimizerStats();
GenericPickFirstStep pickFirstStep = new GenericPickFirstStep(1);
LineSearchMethod linesearch = new WolfRuleLineSearch(pickFirstStep, c1, c2);
ProjectedGradientDescent optimizer = new ProjectedGradientDescent(linesearch);
optimizer.setMaxIterations(maxProjectionIterations);
CompositeStopingCriteria stop = new CompositeStopingCriteria();
stop.add(new NormalizedProjectedGradientL2Norm(stoppingPrecision));
stop.add(new NormalizedValueDifference(stoppingPrecision));
boolean succeed = optimizer.optimize(objective, stats, stop);
System.out.println("Ended optimzation Projected Gradient Descent\n" + stats.prettyPrint(1));
//System.out.println("Solution: " + objective.parameters);
if (!succeed)
System.out.println("Failed to optimize");
//System.out.println("Ended optimization in " + optimizer.getCurrentIteration());
lambda = objective.getParameters();
llh = objective.primal();
for (int i = 0; i < training.getNumPhrases(); ++i)
{
List<Corpus.Edge> edges = training.getEdgesForPhrase(i);
for (int j = 0; j < edges.size(); ++j)
{
Corpus.Edge e = edges.get(j);
for (int t = 0; t < numTags; t++)
{
double p = objective.q.get(i).get(j).get(t);
priorCounts[i][t] += e.getCount() * p;
TIntArrayList tokens = e.getContext();
for (int k = 0; k < tokens.size(); ++k)
emissionsCounts[k][t][tokens.get(k)] += e.getCount() * p;
}
}
}
}
else
{
for (int i = 0; i < training.getNumPhrases(); ++i)
{
List<Corpus.Edge> edges = training.getEdgesForPhrase(i);
for (int j = 0; j < edges.size(); ++j)
{
Corpus.Edge e = edges.get(j);
double probs[] = posterior(i, e);
double z = normalise(probs);
llh += log(z) * e.getCount();
TIntArrayList tokens = e.getContext();
for (int t = 0; t < numTags; ++t)
{
priorCounts[i][t] += e.getCount() * probs[t];
for (int k = 0; k < tokens.size(); ++k)
emissionsCounts[j][t][tokens.get(k)] += e.getCount() * probs[t];
}
}
}
}
// M-step: normalise
for (double[][] emissionTW : emissionsCounts)
for (double[] emissionW : emissionTW)
normalise(emissionW);
for (double[] priorTag : priorCounts)
normalise(priorTag);
emissions = emissionsCounts;
prior = priorCounts;
System.out.println("Iteration " + iteration + " llh " + llh);
// if (llh - lastLlh < 1e-4)
// break;
// else
// lastLlh = llh;
}
}
static double normalise(double probs[])
{
double z = 0;
for (double p : probs)
z += p;
for (int i = 0; i < probs.length; ++i)
probs[i] /= z;
return z;
}
void randomise(double probs[])
{
double z = 0;
for (int i = 0; i < probs.length; ++i)
{
probs[i] = 10 + rng.nextDouble();
z += probs[i];
}
for (int i = 0; i < probs.length; ++i)
probs[i] /= z;
}
static int argmax(double probs[])
{
double m = Double.NEGATIVE_INFINITY;
int mi = -1;
for (int i = 0; i < probs.length; ++i)
{
if (probs[i] > m)
{
m = probs[i];
mi = i;
}
}
return mi;
}
double[] posterior(int phraseId, Corpus.Edge e) // unnormalised
{
double probs[] = new double[numTags];
TIntArrayList tokens = e.getContext();
for (int t = 0; t < numTags; ++t)
{
probs[t] = prior[phraseId][t];
for (int k = 0; k < tokens.size(); ++k)
probs[t] *= emissions[k][t][tokens.get(k)];
}
return probs;
}
void displayPosterior()
{
for (int i = 0; i < training.getNumPhrases(); ++i)
{
List<Corpus.Edge> edges = training.getEdgesForPhrase(i);
for (Corpus.Edge e: edges)
{
double probs[] = posterior(i, e);
normalise(probs);
// emit phrase
System.out.print(e.getPhraseString());
System.out.print("\t");
System.out.print(e.getContextString());
System.out.print("||| C=" + e.getCount() + " |||");
int t = argmax(probs);
System.out.print(" " + t + " ||| " + probs[t]);
// for (int t = 0; t < numTags; ++t)
// System.out.print(" " + probs[t]);
System.out.println();
}
}
}
public static void main(String[] args)
{
assert (args.length >= 2);
try
{
Corpus corpus = Corpus.readFromFile(new FileReader(new File(args[0])));
PhraseContextModel model = new PhraseContextModel(corpus, Integer.parseInt(args[1]));
model.expectationMaximisation(Integer.parseInt(args[2]));
model.displayPosterior();
}
catch (IOException e)
{
System.out.println("Failed to read input file: " + args[0]);
e.printStackTrace();
}
}
class EStepDualObjective extends ProjectedObjective
{
List<List<TDoubleArrayList>> conditionals; // phrase id x context # x tag - precomputed
List<List<TDoubleArrayList>> q; // ditto, but including exp(-lambda) terms
double objective = 0; // log(z)
// Objective.gradient = d log(z) / d lambda = E_q[phi]
double llh = 0;
public EStepDualObjective()
{
super();
// compute conditionals p(context, tag | phrase) for all training instances
conditionals = new ArrayList<List<TDoubleArrayList>>(training.getNumPhrases());
q = new ArrayList<List<TDoubleArrayList>>(training.getNumPhrases());
for (int i = 0; i < training.getNumPhrases(); ++i)
{
List<Corpus.Edge> edges = training.getEdgesForPhrase(i);
conditionals.add(new ArrayList<TDoubleArrayList>(edges.size()));
q.add(new ArrayList<TDoubleArrayList>(edges.size()));
for (int j = 0; j < edges.size(); ++j)
{
Corpus.Edge e = edges.get(j);
double probs[] = posterior(i, e);
double z = normalise(probs);
llh += log(z) * e.getCount();
conditionals.get(i).add(new TDoubleArrayList(probs));
q.get(i).add(new TDoubleArrayList(probs));
}
}
gradient = new double[training.getNumEdges()*numTags];
setInitialParameters(lambda);
computeObjectiveAndGradient();
}
@Override
public double[] projectPoint(double[] point)
{
SimplexProjection p = new SimplexProjection(constraintScale);
double[] newPoint = point.clone();
int edgeIndex = 0;
for (int i = 0; i < training.getNumPhrases(); ++i)
{
List<Corpus.Edge> edges = training.getEdgesForPhrase(i);
for (int t = 0; t < numTags; t++)
{
double[] subPoint = new double[edges.size()];
for (int j = 0; j < edges.size(); ++j)
subPoint[j] = point[edgeIndex+j*numTags+t];
p.project(subPoint);
for (int j = 0; j < edges.size(); ++j)
newPoint[edgeIndex+j*numTags+t] = subPoint[j];
}
edgeIndex += edges.size() * numTags;
}
// System.out.println("Proj from: " + Arrays.toString(point));
// System.out.println("Proj to: " + Arrays.toString(newPoint));
return newPoint;
}
@Override
public void setParameters(double[] params)
{
super.setParameters(params);
computeObjectiveAndGradient();
}
@Override
public double[] getGradient()
{
gradientCalls += 1;
return gradient;
}
@Override
public double getValue()
{
functionCalls += 1;
return objective;
}
public void computeObjectiveAndGradient()
{
int edgeIndex = 0;
objective = 0;
Arrays.fill(gradient, 0);
for (int i = 0; i < training.getNumPhrases(); ++i)
{
List<Corpus.Edge> edges = training.getEdgesForPhrase(i);
for (int j = 0; j < edges.size(); ++j)
{
Corpus.Edge e = edges.get(j);
double z = 0;
for (int t = 0; t < numTags; t++)
{
double v = conditionals.get(i).get(j).get(t) * exp(-parameters[edgeIndex+t]);
q.get(i).get(j).set(t, v);
z += v;
}
objective += log(z) * e.getCount();
for (int t = 0; t < numTags; t++)
{
double v = q.get(i).get(j).get(t) / z;
q.get(i).get(j).set(t, v);
gradient[edgeIndex+t] -= e.getCount() * v;
}
edgeIndex += numTags;
}
}
// System.out.println("computeObjectiveAndGradient logz=" + objective);
// System.out.println("lambda= " + Arrays.toString(parameters));
// System.out.println("gradient=" + Arrays.toString(gradient));
}
public String toString()
{
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(getClass().getCanonicalName()).append(" with ");
sb.append(parameters.length).append(" parameters and ");
sb.append(training.getNumPhrases() * numTags).append(" constraints");
return sb.toString();
}
double primal()
{
// primal = llh + KL(q||p) + scale * sum_pt max_c E_q[phi_pct]
// kl = sum_Y q(Y) log q(Y) / p(Y|X)
// = sum_Y q(Y) { -lambda . phi(Y) - log Z }
// = -log Z - lambda . E_q[phi]
// = -objective + lambda . gradient
double kl = -objective + MathUtils.dotProduct(parameters, gradient);
double l1lmax = 0;
for (int i = 0; i < training.getNumPhrases(); ++i)
{
List<Corpus.Edge> edges = training.getEdgesForPhrase(i);
for (int t = 0; t < numTags; t++)
{
double lmax = Double.NEGATIVE_INFINITY;
for (int j = 0; j < edges.size(); ++j)
lmax = max(lmax, q.get(i).get(j).get(t));
l1lmax += lmax;
}
}
return llh + kl + constraintScale * l1lmax;
}
}
}
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