BERT模型原理的详细介绍

参考文章

【NLP】Google BERT模型原理详解 - rumor的文章 - 知乎
BERT详解 - 大师兄的文章 - 知乎

在大体了解以后可以将源码debug一下，这里推荐一个pytorch的bert源码

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1. BERT模型

BERT的全称是Bidirectional Encoder Representation from Transformers，即双向Transformer的Encoder，因为Decoder是不能获要预测的信息的。

BERT = Encoder of Transformer

模型的主要创新点都在pre-train方法上，即用了Masked LM和Next Sentence Prediction两种方法分别捕捉词语和句子级别的representation。

1.1 模型结构

BERT的网络架构使用的是《Attention is all you need》中提出的多层Transformer结构，其最大的特点是抛弃了传统的RNN和CNN，通过Attention机制将任意位置的两个单词的距离转换成1，有效的解决了NLP中棘手的长期依赖问题。
Transformer的结构在NLP领域中已经得到了广泛应用，并且作者已经发布在TensorFlow的tensor2tensor库中。

Transformer的网络架构如图1所示，Transformer是一个encoder-decoder的结构，由若干个编码器和解码器堆叠形成。
图$1$的左侧部分为编码器，由Multi-Head Attention和一个全连接组成，用于将输入语料转化成特征向量。
右侧部分是解码器，其输入为编码器的输出以及已经预测的结果，由Masked Multi-Head Attention, Multi-Head Attention以及一个全连接组成，用于输出最后结果的条件概率。

关于Transformer的详细解析参考我之前总结的文档。

图1的左侧部分时一个transformer block，即transformer的Encoder，对应到图2 BERT中的一个Trm

BERT对比这两个算法的优点是只有BERT表征会基于所有层中的左右两侧语境。

BERT能做到这一点得益于Transformer中Attention机制将任意位置的两个单词的距离转换成了1。

BERT提供了简单和复杂两个模型，对应的超参数分别如下：

• $BER{T}_{BASE}$ : L=12，H=768，A=12，参数总量110M；

• $BER{T}_{LARGE}$ : L=24，H=1024，A=16，参数总量340M；

• L:网络层数，即Transformer blocks的数量

• A:表示Multi-Head Attention中self-Attention的数量

• H：filter的尺寸

1.2 输入表示

BERT的输入的编码向量(长度是512)是3各嵌入特征的单位和，如图4，这三个词嵌入的特征是

1. WordPiece 嵌入：WordPiece是指将单词划分成一组有限的公共子词单元，能在单词的有效性和字符的灵活性之间取得一个这种的平衡。图4示例中的playing拆成play和ing
2. 位置嵌入(Position Embedding):位置嵌入是将单词的位置信息编码成特征向量，位置嵌入是向模型中引入单词位置关系的至关重要的一环。
3. 分割嵌入(Segment Embedding)：用于区分两个句子，例如B是否是A的下文(对话场景，问答场景等)。对于句子对，第一个句子的特征值是0，第二个句子的特征值是1.

最后，说明一下图4中的两个特殊符号[CLS]和[SEP]，其中[CLS]表示该特征用于分类模型，对非分类模型，该符合可以省去。[SEP]表示分句符号，用于断开输入语料中的两个句子。

1.3 预训练任务

BERT是一个多任务模型，它的任务由两个自监督任务组成，即MLM和NSP

1.3.1 Task 1:Masked Language Model

第一步预训练的目标就是语言模型，从上下文模型结构中可以看到这个模型的不同，即Bidirectional。

为什么要如此bidirectional？

如果使用预训练模型处理其他任务，那人们想要的肯定不止词左边的信息，而是左右两边的信息。
而考虑到这点的模型ELMo只是将left-to-right和right-to-left分别训练拼接起来。

Masked Language Model(MLM)和核心思想取自Wilson Taylor在1953年发表的一篇论文[7]。
所谓MLM是指在训练的时候随机从输入语料中mask掉一些单词，然后通过上下文进行预测该单词。
该任务非常像我们在中学时期经常做的完形填空。正如传统的语言模型算法和RNN匹配那样，MLM的这个性质和Transformer的结构是非常匹配的。

在BERT的实验中，15%的WordPiece Token会被随机Mask掉。
在训练模型时，一个句子会被多次喂到模型中用于参数学习，但是Google并没有在每次都mask掉这些单词，而是在确定要Mask掉的单词之后，80%的时候会直接替换为[MASK],10%替换为其他任意单词，10%的时候保留原始Token。

- 80%：my dog is hairy -> my dog is [mask]
- 10%：my dog is hairy -> my dog is apple
- 10%：my dog is hairy -> my dog is hairy
1
2
3

为什么这样做？

如果句子中的某个Token100%被mask掉，那么在fine-tuning的时候模型就会有一些没有见过的单词。
加入随机Token的原因是因为Transformer要保持对每个输入token的分布式表征，否则模型就会记住这些[mask]是token ’hairy‘

至于单词带来的负面影响，因为一个单词被随机替换掉的概率只有10% * 15% = 1.5%,负面影响较小。

另外文章指出，每次只预测15%的单词，模型收敛会较慢

1.3.2 Task 2：Next Sentence Prediction

Next Sentence Prediction(NSP)的任务是判断句子B是否是句子A的下文。
如果是输出"IsNext"，否则输出"NotNext"。
训练数据的生成方式是从平行语料中随机抽取的连续两句话，其中50%保留抽取的两句话，它们符合IsNext关系，另外50%的第二句话随机从语料中提取，它们的关系是NotNext。这个关系保存在图4中的[CLS]符号

1.4 微调(fine-tuning)

在海量语料训练完BERT之后，便可以将其应用到NLP的各个任务中。
对应于NSP任务来说，其条件概率表示为$P=softmax(C{W}^T)$,其中$C$是BERT输出中的[CLS]符号，$W$是可学习的权值矩阵

对于其他任务来说，我们也可以根据BERT的输出信息做出相应的预测。
图5展示BERT在11各不同任务中的模型，它们只需要在BERT的基础上再添加一个输出层便可以完成对特定任务的微调。

这些任务类似于我们做过的文科试卷，其中有选择题，简答题等等
图5中其中Tok表示不同的Token， $E$表示嵌入向量，$T_i$表示第 $i$ 个Token在经过BERT处理之后得到的特征向量。

可以调整的参数和取值范围有：

• Batch size: 16, 32
• Learning rate (Adam): 5e-5, 3e-5, 2e-5
• Number of epochs: 3, 4

因为大部分参数都和预训练时一样，精调会快一些，所以作者推荐多试一些参数。

基于句子对的分类任务

• MNLI：给定一个前提 (Premise) ，根据这个前提去推断假设 (Hypothesis) 与前提的关系。该任务的关系分为三种，蕴含关系 (Entailment)、矛盾关系 (Contradiction) 以及中立关系 (Neutral)。所以这个问题本质上是一个分类问题，我们需要做的是去发掘前提和假设这两个句子对之间的交互信息。
• QQP：基于Quora，判断 Quora上的两个问题句是否表示的是一样的意思。
• QNLI：用于判断文本是否包含问题的答案，类似于我们做阅读理解定位问题所在的段落。
• STS-B：预测两个句子的相似性，包括5个级别。
• MRPC：也是判断两个句子是否是等价的。
• RTE：类似于MNLI，但是只是对蕴含关系的二分类判断，而且数据集更小。
• SWAG：从四个句子中选择为可能为前句下文的那个。

基于单个句子的分类任务

• SST-2：电影评价的情感分析。
• CoLA：句子语义判断，是否是可接受的（Acceptable）。

对于GLUE数据集的分类任务（MNLI，QQP，QNLI，SST-B，MRPC，RTE，SST-2，CoLA），BERT的微调方法是根据[CLS]标志生成一组特征向量$C$，并通过一层全连接进行微调。损失函数根据任务类型自行设计，例如多分类的softmax或者二分类的sigmoid。

SWAG的微调方法与GLUE数据集类似，只不过其输出是四个可能选项的softmax：

$$P_i=\frac{e^{V\cdot C_i}}{{\sum }_{j=1}^4{e}^{V\cdot C_i}}\text{\hspace{1em}(1)}$$

问答任务

SQuAD v1.1：给定一个句子（通常是一个问题）和一段描述文本，输出这个问题的答案，类似于做阅读理解的简答题。如图5.©表示的，SQuAD的输入是问题和描述文本的句子对。输出是特征向量，通过在描述文本上接一层激活函数为softmax的全连接来获得输出文本的条件概率，全连接的输出节点个数是语料中Token的个数。

命名实体识别

CoNLL-2003 NER：判断一个句子中的单词是不是Person，Organization，Location，Miscellaneous或者other（无命名实体）。微调CoNLL-2003 NER时将整个句子作为输入，在每个时间片输出一个概率，并通过softmax得到这个Token的实体类别。

2. 总结

优点

1. 使用Transformer的结构将已经走向瓶颈期的Word2Vec带向了一个新的方向，并再一次炒火了《Attention is All you Need》这篇论文；
2. 11个NLP任务的精度大幅提升足以震惊整个深度学习领域；
3. 无私的开源了多种语言的源码和模型，具有非常高的商业价值。
4. 迁移学习又一次胜利，而且这次是在NLP领域的大胜，狂胜。

BERT算法还有很大的优化空间，例如我们在Transformer中讲的如何让模型有捕捉Token序列关系的能力，而不是简单依靠位置嵌入。BERT的训练在目前的计算资源下很难完成，论文中说 [公式] 的训练需要在64块TPU芯片上训练4天完成，而一块TPU的速度约是目前主流GPU的7-8倍。非常幸运的是谷歌开源了各种语言的模型，免去了我们自己训练的工作。

缺点
2.2 缺点

作者在文中主要提到的就是MLM预训练时的mask问题：

• [MASK]标记在实际预测中不会出现，训练时用过多[MASK]影响模型表现
• 每个batch只有15%的token被预测，所以BERT收敛得比left-to-right模型要慢（它们会预测每个token）