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TensorFlow 2.0 : 上級 Tutorials : テキスト :- ニューラル機械翻訳 with Attention

TensorFlow 2.0 : 上級 Tutorials : テキスト :- ニューラル機械翻訳 with Attention (翻訳/解説)

翻訳 : (株)クラスキャット セールスインフォメーション
作成日時 : 11/12/2019

* 本ページは、TensorFlow org サイトの TF 2.0 – Advanced Tutorials – Text の以下のページを翻訳した上で
適宜、補足説明したものです:

* サンプルコードの動作確認はしておりますが、必要な場合には適宜、追加改変しています。
* ご自由にリンクを張って頂いてかまいませんが、sales-info@classcat.com までご一報いただけると嬉しいです。

 

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株式会社クラスキャット セールス・マーケティング本部 セールス・インフォメーション
E-Mail:sales-info@classcat.com ; WebSite: https://www.classcat.com/
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テキスト :- ニューラル機械翻訳 with Attention

このノートブックは西英翻訳のための sequence to sequence (seq2seq) モデルを訓練します。これは sequence to sequence モデルの何某かの知識を仮定した上級サンプルです。

このノートブックでモデルを訓練した後、”¿todavia estan en casa?” のようなスペイン語のセンテンスを入力して、英語翻訳: “are you still at home?” を返すことができます。

翻訳品質は toy サンプルのために合理的ですが、生成された attention プロットは多分より興味深いです。これは翻訳の間に入力センテンスのどの部分がモデルの注意 (= attention) を持つかを示します :

Note: このサンプルは単一の P100 GPU 上で実行するためにおよそ 10 分かかります。

from __future__ import absolute_import, division, print_function, unicode_literals

import tensorflow as tf

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.ticker as ticker
from sklearn.model_selection import train_test_split

import unicodedata
import re
import numpy as np
import os
import io
import time

 

データセットをダウンロードして準備する

私達は http://www.manythings.org/anki/ により提供される言語データセットを使用します。このデータセットは次のフォーマットの言語翻訳ペアを含みます :

May I borrow this book? ¿Puedo tomar prestado este libro?

利用可能な様々な言語がありますが、英語-スペイン語データセットを使用します。便宜上、このデータセットのコピーを Google Cloud 上にホストしましたが、貴方自身のコピーをダウンロードすることもできます。データセットをダウンロードした後、データを準備するために取るステップがここにあります :

  1. 各センテンスに start と end トークンを追加します。
  2. 特殊文字を除去してセンテンスをクリーンアップします。
  3. 単語インデックスとリバース単語インデックス (単語 → id と id → 単語のマッピングを行なう辞書) を作成します。
  4. 各センテンスを最大長にパッドします。
# Download the file
path_to_zip = tf.keras.utils.get_file(
    'spa-eng.zip', origin='http://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/spa-eng.zip',
    extract=True)

path_to_file = os.path.dirname(path_to_zip)+"/spa-eng/spa.txt"
Downloading data from http://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/spa-eng.zip
2646016/2638744 [==============================] - 0s 0us/step
# Converts the unicode file to ascii
def unicode_to_ascii(s):
    return ''.join(c for c in unicodedata.normalize('NFD', s)
        if unicodedata.category(c) != 'Mn')


def preprocess_sentence(w):
    w = unicode_to_ascii(w.lower().strip())

    # creating a space between a word and the punctuation following it
    # eg: "he is a boy." => "he is a boy ."
    # Reference:- https://stackoverflow.com/questions/3645931/python-padding-punctuation-with-white-spaces-keeping-punctuation
    w = re.sub(r"([?.!,¿])", r" \1 ", w)
    w = re.sub(r'[" "]+', " ", w)

    # replacing everything with space except (a-z, A-Z, ".", "?", "!", ",")
    w = re.sub(r"[^a-zA-Z?.!,¿]+", " ", w)

    w = w.rstrip().strip()

    # adding a start and an end token to the sentence
    # so that the model know when to start and stop predicting.
    w = ' ' + w + ' '
    return w
en_sentence = u"May I borrow this book?"
sp_sentence = u"¿Puedo tomar prestado este libro?"
print(preprocess_sentence(en_sentence))
print(preprocess_sentence(sp_sentence).encode('utf-8'))
<start> may i borrow this book ? <end>
b'<start> \xc2\xbf puedo tomar prestado este libro ? <end>'
# 1. Remove the accents
# 2. Clean the sentences
# 3. Return word pairs in the format: [ENGLISH, SPANISH]
def create_dataset(path, num_examples):
    lines = io.open(path, encoding='UTF-8').read().strip().split('\n')

    word_pairs = [[preprocess_sentence(w) for w in l.split('\t')]  for l in lines[:num_examples]]

    return zip(*word_pairs)
en, sp = create_dataset(path_to_file, None)
print(en[-1])
print(sp[-1])
<start> if you want to sound like a native speaker , you must be willing to practice saying the same sentence over and over in the same way that banjo players practice the same phrase over and over until they can play it correctly and at the desired tempo . <end>
<start> si quieres sonar como un hablante nativo , debes estar dispuesto a practicar diciendo la misma frase una y otra vez de la misma manera en que un musico de banjo practica el mismo fraseo una y otra vez hasta que lo puedan tocar correctamente y en el tiempo esperado . <end>
def max_length(tensor):
    return max(len(t) for t in tensor)
def tokenize(lang):
  lang_tokenizer = tf.keras.preprocessing.text.Tokenizer(
      filters='')
  lang_tokenizer.fit_on_texts(lang)

  tensor = lang_tokenizer.texts_to_sequences(lang)

  tensor = tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(tensor,
                                                         padding='post')

  return tensor, lang_tokenizer
def load_dataset(path, num_examples=None):
    # creating cleaned input, output pairs
    targ_lang, inp_lang = create_dataset(path, num_examples)

    input_tensor, inp_lang_tokenizer = tokenize(inp_lang)
    target_tensor, targ_lang_tokenizer = tokenize(targ_lang)

    return input_tensor, target_tensor, inp_lang_tokenizer, targ_lang_tokenizer

 

実験をより速くするためにデータセットのサイズを制限する (オプション)

> 100,000 センテンスの完全なデータセット上で訓練するのは時間がかかります。より速く訓練するために、データセットのサイズを 30,000 センテンスに制限することができます (もちろん、翻訳品質はより少ないデータでは劣化します) :

# Try experimenting with the size of that dataset
num_examples = 30000
input_tensor, target_tensor, inp_lang, targ_lang = load_dataset(path_to_file, num_examples)

# Calculate max_length of the target tensors
max_length_targ, max_length_inp = max_length(target_tensor), max_length(input_tensor)
# Creating training and validation sets using an 80-20 split
input_tensor_train, input_tensor_val, target_tensor_train, target_tensor_val = train_test_split(input_tensor, target_tensor, test_size=0.2)

# Show length
print(len(input_tensor_train), len(target_tensor_train), len(input_tensor_val), len(target_tensor_val))
(24000, 24000, 6000, 6000)
def convert(lang, tensor):
  for t in tensor:
    if t!=0:
      print ("%d ----> %s" % (t, lang.index_word[t]))
print ("Input Language; index to word mapping")
convert(inp_lang, input_tensor_train[0])
print ()
print ("Target Language; index to word mapping")
convert(targ_lang, target_tensor_train[0])
Input Language; index to word mapping
1 ----> <start>
22 ----> por
50 ----> favor
456 ----> escucha
3 ----> .
2 ----> <end>

Target Language; index to word mapping
1 ----> <start>
56 ----> please
279 ----> listen
3 ----> .
2 ----> <end>

 

tf.data データセットを作成する

BUFFER_SIZE = len(input_tensor_train)
BATCH_SIZE = 64
steps_per_epoch = len(input_tensor_train)//BATCH_SIZE
embedding_dim = 256
units = 1024
vocab_inp_size = len(inp_lang.word_index)+1
vocab_tar_size = len(targ_lang.word_index)+1

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((input_tensor_train, target_tensor_train)).shuffle(BUFFER_SIZE)
dataset = dataset.batch(BATCH_SIZE, drop_remainder=True)
example_input_batch, example_target_batch = next(iter(dataset))
example_input_batch.shape, example_target_batch.shape
(TensorShape([64, 16]), TensorShape([64, 11]))

 

エンコーダとデコーダ・モデルを書く

attention を持つエンコーダ-デコーダ・モデルを実装します、これについて TensorFlow Neural Machine Translation (seq2seq) チュートリアル で読むことができます。このサンプルは API のより新しいセットを使用しています。このノートブックは seq2seq チュートリアルからの attention 式 を実装しています。次の図は attention メカニズムにより各入力単語に重みが割り当てられて、それからそれがセンテンスの次の単語を予測するためにデコーダにより使用されることを示しています。下の図と式は Luong のペーパー からの attention メカニズムのサンプルです。

入力はエンコーダ・モデルの中を通され、これは shape (batch_size, max_length, hidden_size) のエンコーダ出力と shape (batch_size, hidden_size) のエンコーダ隠れ状態を与えます。

ここに実装される等式があります :


このチュートリアルはエンコーダのために Bahdanau attention を使用しています。単純化された形式を書く前に記法を定めましょう :

  • FC = 完全結合 (dense) 層
  • EO = エンコーダ出力
  • H = 隠れ状態
  • X = デコーダへの入力

そして擬似コードは :

  • score = FC(tanh(FC(EO) + FC(H)))
  • attention weights = softmax(score, axis = 1)。デフォルトでは softmax が最後の軸上に適用されますがここではそれを最初の軸上で適用することを望みます、何故ならばスコアの shape は (batch_size, max_length, hidden_size) だからです。Max_length は入力の長さです。各入力に重みを割り当てようとしていますので、softmax はその軸上で適用されるべきです。
  • context vector = sum(attention weights * EO, axis = 1)。上と同じ理由で軸を 1 として選択します。
  • embedding output = デコーダへの入力 X は埋め込み層を通されます。
  • merged vector = concat(embedding output, context vector)
  • それからこのマージされたベクトルが GRU に与えられます。

各ステップにおける総てのベクトルの shape はコードのコメントで指定されます :

class Encoder(tf.keras.Model):
  def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, enc_units, batch_sz):
    super(Encoder, self).__init__()
    self.batch_sz = batch_sz
    self.enc_units = enc_units
    self.embedding = tf.keras.layers.Embedding(vocab_size, embedding_dim)
    self.gru = tf.keras.layers.GRU(self.enc_units,
                                   return_sequences=True,
                                   return_state=True,
                                   recurrent_initializer='glorot_uniform')

  def call(self, x, hidden):
    x = self.embedding(x)
    output, state = self.gru(x, initial_state = hidden)
    return output, state

  def initialize_hidden_state(self):
    return tf.zeros((self.batch_sz, self.enc_units))
encoder = Encoder(vocab_inp_size, embedding_dim, units, BATCH_SIZE)

# sample input
sample_hidden = encoder.initialize_hidden_state()
sample_output, sample_hidden = encoder(example_input_batch, sample_hidden)
print ('Encoder output shape: (batch size, sequence length, units) {}'.format(sample_output.shape))
print ('Encoder Hidden state shape: (batch size, units) {}'.format(sample_hidden.shape))
Encoder output shape: (batch size, sequence length, units) (64, 16, 1024)
Encoder Hidden state shape: (batch size, units) (64, 1024)
class BahdanauAttention(tf.keras.layers.Layer):
  def __init__(self, units):
    super(BahdanauAttention, self).__init__()
    self.W1 = tf.keras.layers.Dense(units)
    self.W2 = tf.keras.layers.Dense(units)
    self.V = tf.keras.layers.Dense(1)

  def call(self, query, values):
    # hidden shape == (batch_size, hidden size)
    # hidden_with_time_axis shape == (batch_size, 1, hidden size)
    # we are doing this to perform addition to calculate the score
    hidden_with_time_axis = tf.expand_dims(query, 1)

    # score shape == (batch_size, max_length, 1)
    # we get 1 at the last axis because we are applying score to self.V
    # the shape of the tensor before applying self.V is (batch_size, max_length, units)
    score = self.V(tf.nn.tanh(
        self.W1(values) + self.W2(hidden_with_time_axis)))

    # attention_weights shape == (batch_size, max_length, 1)
    attention_weights = tf.nn.softmax(score, axis=1)

    # context_vector shape after sum == (batch_size, hidden_size)
    context_vector = attention_weights * values
    context_vector = tf.reduce_sum(context_vector, axis=1)

    return context_vector, attention_weights
attention_layer = BahdanauAttention(10)
attention_result, attention_weights = attention_layer(sample_hidden, sample_output)

print("Attention result shape: (batch size, units) {}".format(attention_result.shape))
print("Attention weights shape: (batch_size, sequence_length, 1) {}".format(attention_weights.shape))
Attention result shape: (batch size, units) (64, 1024)
Attention weights shape: (batch_size, sequence_length, 1) (64, 16, 1)
class Decoder(tf.keras.Model):
  def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, dec_units, batch_sz):
    super(Decoder, self).__init__()
    self.batch_sz = batch_sz
    self.dec_units = dec_units
    self.embedding = tf.keras.layers.Embedding(vocab_size, embedding_dim)
    self.gru = tf.keras.layers.GRU(self.dec_units,
                                   return_sequences=True,
                                   return_state=True,
                                   recurrent_initializer='glorot_uniform')
    self.fc = tf.keras.layers.Dense(vocab_size)

    # used for attention
    self.attention = BahdanauAttention(self.dec_units)

  def call(self, x, hidden, enc_output):
    # enc_output shape == (batch_size, max_length, hidden_size)
    context_vector, attention_weights = self.attention(hidden, enc_output)

    # x shape after passing through embedding == (batch_size, 1, embedding_dim)
    x = self.embedding(x)

    # x shape after concatenation == (batch_size, 1, embedding_dim + hidden_size)
    x = tf.concat([tf.expand_dims(context_vector, 1), x], axis=-1)

    # passing the concatenated vector to the GRU
    output, state = self.gru(x)

    # output shape == (batch_size * 1, hidden_size)
    output = tf.reshape(output, (-1, output.shape[2]))

    # output shape == (batch_size, vocab)
    x = self.fc(output)

    return x, state, attention_weights
decoder = Decoder(vocab_tar_size, embedding_dim, units, BATCH_SIZE)

sample_decoder_output, _, _ = decoder(tf.random.uniform((64, 1)),
                                      sample_hidden, sample_output)

print ('Decoder output shape: (batch_size, vocab size) {}'.format(sample_decoder_output.shape))
Decoder output shape: (batch_size, vocab size) (64, 4935)

 

optimizer と損失関数を定義する

optimizer = tf.keras.optimizers.Adam()
loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(
    from_logits=True, reduction='none')

def loss_function(real, pred):
  mask = tf.math.logical_not(tf.math.equal(real, 0))
  loss_ = loss_object(real, pred)

  mask = tf.cast(mask, dtype=loss_.dtype)
  loss_ *= mask

  return tf.reduce_mean(loss_)

 

チェックポイント (オブジェクトベースのセーブ)

checkpoint_dir = './training_checkpoints'
checkpoint_prefix = os.path.join(checkpoint_dir, "ckpt")
checkpoint = tf.train.Checkpoint(optimizer=optimizer,
                                 encoder=encoder,
                                 decoder=decoder)

 

訓練

  1. 入力をエンコーダを通します、これはエンコーダ出力とエンコーダ隠れ状態を返します。
  2. エンコーダ出力、エンコーダ隠れ状態とデコーダ入力 (これは開始トークンです) がデコーダに渡されます。
  3. デコーダは予測とデコーダ隠れ状態を返します。
  4. それからデコーダ隠れ状態はモデルに渡し戻されて予測は損失を計算するために使用されます。
  5. デコーダへの次の入力を決めるために teacher forcing を使用します。
  6. teacher forcing は、そこではターゲット単語がデコーダへの次の入力として渡されるテクニックです。
  7. 最後のステップは勾配を計算してそれを optimizer に適用して backpropagate します。
@tf.function
def train_step(inp, targ, enc_hidden):
  loss = 0

  with tf.GradientTape() as tape:
    enc_output, enc_hidden = encoder(inp, enc_hidden)

    dec_hidden = enc_hidden

    dec_input = tf.expand_dims([targ_lang.word_index['']] * BATCH_SIZE, 1)

    # Teacher forcing - feeding the target as the next input
    for t in range(1, targ.shape[1]):
      # passing enc_output to the decoder
      predictions, dec_hidden, _ = decoder(dec_input, dec_hidden, enc_output)

      loss += loss_function(targ[:, t], predictions)

      # using teacher forcing
      dec_input = tf.expand_dims(targ[:, t], 1)

  batch_loss = (loss / int(targ.shape[1]))

  variables = encoder.trainable_variables + decoder.trainable_variables

  gradients = tape.gradient(loss, variables)

  optimizer.apply_gradients(zip(gradients, variables))

  return batch_loss
EPOCHS = 10

for epoch in range(EPOCHS):
  start = time.time()

  enc_hidden = encoder.initialize_hidden_state()
  total_loss = 0

  for (batch, (inp, targ)) in enumerate(dataset.take(steps_per_epoch)):
    batch_loss = train_step(inp, targ, enc_hidden)
    total_loss += batch_loss

    if batch % 100 == 0:
        print('Epoch {} Batch {} Loss {:.4f}'.format(epoch + 1,
                                                     batch,
                                                     batch_loss.numpy()))
  # saving (checkpoint) the model every 2 epochs
  if (epoch + 1) % 2 == 0:
    checkpoint.save(file_prefix = checkpoint_prefix)

  print('Epoch {} Loss {:.4f}'.format(epoch + 1,
                                      total_loss / steps_per_epoch))
  print('Time taken for 1 epoch {} sec\n'.format(time.time() - start))
Epoch 1 Batch 0 Loss 4.5782
Epoch 1 Batch 100 Loss 2.3247
Epoch 1 Batch 200 Loss 1.8299
Epoch 1 Batch 300 Loss 1.7017
Epoch 1 Loss 2.0273
Time taken for 1 epoch 32.79620003700256 sec

Epoch 2 Batch 0 Loss 1.5939
Epoch 2 Batch 100 Loss 1.4579
Epoch 2 Batch 200 Loss 1.4302
Epoch 2 Batch 300 Loss 1.3060
Epoch 2 Loss 1.3856
Time taken for 1 epoch 17.484558582305908 sec

Epoch 3 Batch 0 Loss 0.9645
Epoch 3 Batch 100 Loss 0.9450
Epoch 3 Batch 200 Loss 0.9626
Epoch 3 Batch 300 Loss 1.0414
Epoch 3 Loss 0.9681
Time taken for 1 epoch 17.044427633285522 sec

Epoch 4 Batch 0 Loss 0.6285
Epoch 4 Batch 100 Loss 0.7940
Epoch 4 Batch 200 Loss 0.5498
Epoch 4 Batch 300 Loss 0.6397
Epoch 4 Loss 0.6515
Time taken for 1 epoch 17.429885387420654 sec

Epoch 5 Batch 0 Loss 0.4643
Epoch 5 Batch 100 Loss 0.4660
Epoch 5 Batch 200 Loss 0.4049
Epoch 5 Batch 300 Loss 0.4017
Epoch 5 Loss 0.4392
Time taken for 1 epoch 17.022470474243164 sec

Epoch 6 Batch 0 Loss 0.2925
Epoch 6 Batch 100 Loss 0.2970
Epoch 6 Batch 200 Loss 0.2859
Epoch 6 Batch 300 Loss 0.2650
Epoch 6 Loss 0.3011
Time taken for 1 epoch 17.285199642181396 sec

Epoch 7 Batch 0 Loss 0.2012
Epoch 7 Batch 100 Loss 0.1468
Epoch 7 Batch 200 Loss 0.2198
Epoch 7 Batch 300 Loss 0.2109
Epoch 7 Loss 0.2155
Time taken for 1 epoch 16.99945044517517 sec

Epoch 8 Batch 0 Loss 0.1343
Epoch 8 Batch 100 Loss 0.1683
Epoch 8 Batch 200 Loss 0.1547
Epoch 8 Batch 300 Loss 0.1345
Epoch 8 Loss 0.1589
Time taken for 1 epoch 17.30172872543335 sec

Epoch 9 Batch 0 Loss 0.1193
Epoch 9 Batch 100 Loss 0.1181
Epoch 9 Batch 200 Loss 0.1104
Epoch 9 Batch 300 Loss 0.1278
Epoch 9 Loss 0.1278
Time taken for 1 epoch 17.062464952468872 sec

Epoch 10 Batch 0 Loss 0.0915
Epoch 10 Batch 100 Loss 0.0890
Epoch 10 Batch 200 Loss 0.1234
Epoch 10 Batch 300 Loss 0.1449
Epoch 10 Loss 0.1016
Time taken for 1 epoch 17.3432514667511 sec

 

翻訳する

  • evaluate 関数は訓練ループに似ています、ここでは teacher forcing を使用しないことを除いて。各時間ステップでのデコーダへの入力は隠れ状態とエンコーダ出力と共にその前の予測になります。
  • モデルが終了トークンを予測するとき予測を停止します。
  • そして総ての時間ステップのために attention 重みをストアします。

Note: エンコーダ出力は一つの入力に対して一度だけ計算されます。

def evaluate(sentence):
    attention_plot = np.zeros((max_length_targ, max_length_inp))

    sentence = preprocess_sentence(sentence)

    inputs = [inp_lang.word_index[i] for i in sentence.split(' ')]
    inputs = tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences([inputs],
                                                           maxlen=max_length_inp,
                                                           padding='post')
    inputs = tf.convert_to_tensor(inputs)

    result = ''

    hidden = [tf.zeros((1, units))]
    enc_out, enc_hidden = encoder(inputs, hidden)

    dec_hidden = enc_hidden
    dec_input = tf.expand_dims([targ_lang.word_index['']], 0)

    for t in range(max_length_targ):
        predictions, dec_hidden, attention_weights = decoder(dec_input,
                                                             dec_hidden,
                                                             enc_out)

        # storing the attention weights to plot later on
        attention_weights = tf.reshape(attention_weights, (-1, ))
        attention_plot[t] = attention_weights.numpy()

        predicted_id = tf.argmax(predictions[0]).numpy()

        result += targ_lang.index_word[predicted_id] + ' '

        if targ_lang.index_word[predicted_id] == '':
            return result, sentence, attention_plot

        # the predicted ID is fed back into the model
        dec_input = tf.expand_dims([predicted_id], 0)

    return result, sentence, attention_plot
# function for plotting the attention weights
def plot_attention(attention, sentence, predicted_sentence):
    fig = plt.figure(figsize=(10,10))
    ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
    ax.matshow(attention, cmap='viridis')

    fontdict = {'fontsize': 14}

    ax.set_xticklabels([''] + sentence, fontdict=fontdict, rotation=90)
    ax.set_yticklabels([''] + predicted_sentence, fontdict=fontdict)

    ax.xaxis.set_major_locator(ticker.MultipleLocator(1))
    ax.yaxis.set_major_locator(ticker.MultipleLocator(1))

    plt.show()
def translate(sentence):
    result, sentence, attention_plot = evaluate(sentence)

    print('Input: %s' % (sentence))
    print('Predicted translation: {}'.format(result))

    attention_plot = attention_plot[:len(result.split(' ')), :len(sentence.split(' '))]
    plot_attention(attention_plot, sentence.split(' '), result.split(' '))

 

最新のチェックポイントを復元してテストする

# # restoring the latest checkpoint in checkpoint_dir
checkpoint.restore(tf.train.latest_checkpoint(checkpoint_dir))
<tensorflow.python.training.tracking.util.CheckpointLoadStatus at 0x7f687502d9e8>
translate(u'hace mucho frio aqui.')
Input: <start> hace mucho frio aqui . <end>
Predicted translation: it s very cold here . <end> 

translate(u'esta es mi vida.')
Input: <start> esta es mi vida . <end>
Predicted translation: this is my life . <end> 

translate(u'¿todavia estan en casa?')
Input: <start> ¿ todavia estan en casa ? <end>
Predicted translation: are we still at home now ? <end> 

# wrong translation
translate(u'trata de averiguarlo.')
Input: <start> trata de averiguarlo . <end>
Predicted translation: try to figure it out . <end> 

 

Next steps

  • 翻訳による実験をするために 異なるデータセットをダウンロード します、例えば、英語 to 独語、あるいは英語 to 仏語です。
  • より巨大なデータセット上の訓練で実験します、あるいはより多いエポックを使用します。
 

以上






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