BERT模型的详细介绍

1.BERT 的基本原理是什么？

BERT 来自 Google 的论文Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding，BERT 是“Bidirectional Encoder Representations from Transformers”的首字母缩写，整体是一个自编码语言模型（Autoencoder LM），并且其设计了两个任务来预训练该模型。

• 第一个任务是采用 MaskLM 的方式来训练语言模型，通俗地说就是在输入一句话的时候，随机地选一些要预测的词，然后用一个特殊的符号[MASK]来代替它们，之后让模型根据所给的标签去学习这些地方该填的词。

• 第二个任务在双向语言模型的基础上额外增加了一个句子级别的连续性预测任务，即预测输入 BERT 的两段文本是否为连续的文本，引入这个任务可以更好地让模型学到连续的文本片段之间的关系。

最后的实验表明 BERT 模型的有效性，并在 11 项 NLP 任务中夺得 SOTA 结果。

BERT 相较于原来的 RNN、LSTM 可以做到并发执行，同时提取词在句子中的关系特征，并且能在多个不同层次提取关系特征，进而更全面反映句子语义。相较于 word2vec，其又能根据句子上下文获取词义，从而避免歧义出现。同时缺点也是显而易见的，模型参数太多，而且模型太大，少量数据训练时，容易过拟合。

2.BERT 是怎么用 Transformer 的？

BERT 只使用了 Transformer 的 Encoder 模块，原论文中，作者分别用 12 层和 24 层 Transformer Encoder 组装了两套 BERT 模型，分别是：

其中层的数量(即，Transformer Encoder 块的数量)为L ，隐藏层的维度为H ，自注意头的个数为A 。在所有例子中，我们将前馈/过滤器(Transformer Encoder 端的 feed-forward 层)的维度设置为4H ，即当 H=768 时是3072 ；当 H=1024 是 4096 。

图示如下：

• 

「需要注意的是，与 Transformer 本身的 Encoder 端相比，BERT 的 Transformer Encoder 端输入的向量表示，多了 Segment Embeddings。」

3.BERT 的训练过程是怎么样的？

在论文原文中，作者提出了两个预训练任务：Masked LM 和 Next Sentence Prediction。

3.1 「Masked LM」

Masked LM 的任务描述为：给定一句话，随机抹去这句话中的一个或几个词，要求根据剩余词汇预测被抹去的几个词分别是什么，如下图所示。

BERT 模型的这个预训练过程其实就是在模仿我们学语言的过程，思想来源于「完形填空」的任务。具体来说，文章作者在一句话中随机选择 15% 的词汇用于预测。对于在原句中被抹去的词汇， 80% 情况下采用一个特殊符号 [MASK] 替换， 10% 情况下采用一个任意词替换，剩余 10% 情况下保持原词汇不变。

这么做的主要原因是：在后续微调任务中语句中并不会出现 [MASK] 标记，而且这么做的另一个好处是：预测一个词汇时，模型并不知道输入对应位置的词汇是否为正确的词汇（ 10% 概率），这就迫使模型更多地依赖于上下文信息去预测词汇，并且赋予了模型一定的纠错能力。上述提到了这样做的一个缺点，其实这样做还有另外一个缺点，就是每批次数据中只有 15% 的标记被预测，这意味着模型可能需要更多的预训练步骤来收敛。

3.2 Next Sentence Prediction

Next Sentence Prediction 的任务描述为：给定一篇文章中的两句话，判断第二句话在文本中是否紧跟在第一句话之后，如下图所示。

这个类似于「段落重排序」的任务，即：将一篇文章的各段打乱，让我们通过重新排序把原文还原出来，这其实需要我们对全文大意有充分、准确的理解。

Next Sentence Prediction 任务实际上就是段落重排序的简化版：只考虑两句话，判断是否是一篇文章中的前后句。在实际预训练过程中，文章作者从文本语料库中随机选择 50% 正确语句对和 50% 错误语句对进行训练，与 Masked LM 任务相结合，让模型能够更准确地刻画语句乃至篇章层面的语义信息。

BERT 模型通过对 Masked LM 任务和 Next Sentence Prediction 任务进行联合训练，使模型输出的每个字 / 词的向量表示都能尽可能全面、准确地刻画输入文本（单句或语句对）的整体信息，为后续的微调任务提供更好的模型参数初始值。

4.为什么 BERT 比 ELMo 效果好？ELMo 和 BERT 的区别是什么？

4.1 为什么 BERT 比 ELMo 效果好？

从网络结构以及最后的实验效果来看，BERT 比 ELMo 效果好主要集中在以下几点原因：

1. LSTM 抽取特征的能力远弱于 Transformer

2. 拼接方式双向融合的特征融合能力偏弱(没有具体实验验证，只是推测)

3. 其实还有一点，BERT 的训练数据以及模型参数均多余 ELMo，这也是比较重要的一点

4.2 ELMo 和 BERT 的区别是什么？

ELMo 模型是通过语言模型任务得到句子中单词的 embedding 表示，以此作为补充的新特征给下游任务使用。因为 ELMO 给下游提供的是每个单词的特征形式，所以这一类预训练的方法被称为“Feature-based Pre-Training”。而 BERT 模型是“基于 Fine-tuning 的模式”，这种做法和图像领域基于 Fine-tuning 的方式基本一致，下游任务需要将模型改造成 BERT 模型，才可利用 BERT 模型预训练好的参数。

5.BERT 有什么局限性？

从 XLNet 论文中，提到了 BERT 的两个缺点，分别如下：

• BERT 在第一个预训练阶段，假设句子中多个单词被 Mask 掉，这些被 Mask 掉的单词之间没有任何关系，是条件独立的，然而有时候这些单词之间是有关系的，比如”New York is a city”，假设我们 Mask 住”New”和”York”两个词，那么给定”is a city”的条件下”New”和”York”并不独立，因为”New York”是一个实体，看到”New”则后面出现”York”的概率要比看到”Old”后面出现”York”概率要大得多。

  • 但是需要注意的是，这个问题并不是什么大问题，甚至可以说对最后的结果并没有多大的影响，因为本身 BERT 预训练的语料就是海量的(动辄几十个 G)，所以如果训练数据足够大，其实不靠当前这个例子，靠其它例子，也能弥补被 Mask 单词直接的相互关系问题，因为总有其它例子能够学会这些单词的相互依赖关系。

• BERT 的在预训练时会出现特殊的[MASK]，但是它在下游的 fine-tune 中不会出现，这就出现了预训练阶段和 fine-tune 阶段不一致的问题。其实这个问题对最后结果产生多大的影响也是不够明确的，因为后续有许多 BERT 相关的预训练模型仍然保持了[MASK]标记，也取得了很大的结果，而且很多数据集上的结果也比 BERT 要好。但是确确实实引入[MASK]标记，也是为了构造自编码语言模型而采用的一种折中方式。

另外还有一个缺点，是 BERT 在分词后做[MASK]会产生的一个问题，为了解决 OOV 的问题，我们通常会把一个词切分成更细粒度的 WordPiece。BERT 在 Pretraining 的时候是随机 Mask 这些 WordPiece 的，这就可能出现只 Mask 一个词的一部分的情况，例如：

probability 这个词被切分成”pro”、”#babi”和”#lity”3 个 WordPiece。有可能出现的一种随机 Mask 是把”#babi” Mask 住，但是”pro”和”#lity”没有被 Mask。这样的预测任务就变得容易了，因为在”pro”和”#lity”之间基本上只能是”#babi”了。这样它只需要记住一些词(WordPiece 的序列)就可以完成这个任务，而不是根据上下文的语义关系来预测出来的。类似的中文的词”模型”也可能被 Mask 部分(其实用”琵琶”的例子可能更好，因为这两个字只能一起出现而不能单独出现)，这也会让预测变得容易。

为了解决这个问题，很自然的想法就是词作为一个整体要么都 Mask 要么都不 Mask，这就是所谓的 Whole Word Masking。这是一个很简单的想法，对于 BERT 的代码修改也非常少，只是修改一些 Mask 的那段代码。

「TODO：另外还有别的缺点及其改进，看到相关论文再补充。」

6.BERT 的输入和输出分别是什么？

BERT 模型的主要输入是文本中各个字/词(或者称为 token)的原始词向量，该向量既可以随机初始化，也可以利用 Word2Vector 等算法进行预训练以作为初始值；输出是文本中各个字/词融合了全文语义信息后的向量表示，如下图所示（为方便描述且与 BERT 模型的当前中文版本保持一致，统一以「字向量」作为输入）：

从上图中可以看出，**BERT 模型通过查询字向量表将文本中的每个字转换为一维向量，作为模型输入；模型输出则是输入各字对应的融合全文语义信息后的向量表示。**此外，模型输入除了字向量(英文中对应的是 Token Embeddings)，还包含另外两个部分：

1. 文本向量(英文中对应的是 Segment Embeddings)：该向量的取值在模型训练过程中自动学习，用于刻画文本的全局语义信息，并与单字/词的语义信息相融合

2. 位置向量(英文中对应的是 Position Embeddings)：由于出现在文本不同位置的字/词所携带的语义信息存在差异（比如：“我爱你”和“你爱我”），因此，BERT 模型对不同位置的字/词分别附加一个不同的向量以作区分

最后，BERT 模型将字向量、文本向量和位置向量的加和作为模型输入。特别地，在目前的 BERT 模型中，文章作者还将英文词汇作进一步切割，划分为更细粒度的语义单位（WordPiece），例如：将 playing 分割为 play 和##ing；此外，对于中文，目前作者未对输入文本进行分词，而是直接将单字作为构成文本的基本单位。

需要注意的是，上图中只是简单介绍了单个句子输入 BERT 模型中的表示，实际上，在做 Next Sentence Prediction 任务时，在第一个句子的首部会加上一个[CLS] token，在两个句子中间以及最后一个句子的尾部会加上一个[SEP] token。

7.针对句子语义相似度/多标签分类/机器翻译/文本生成的任务，利用 BERT 结构怎么做 fine-tuning？

7.1 针对句子语义相似度的任务

                              bert fine tuning classification

实际操作时，上述最后一句话之后还会加一个[SEP] token，语义相似度任务将两个句子按照上述方式输入即可，之后与论文中的分类任务一样，将[CLS] token 位置对应的输出，接上 softmax 做分类即可(实际上 GLUE 任务中就有很多语义相似度的数据集)。

7.2 针对多标签分类的任务

多标签分类任务，即 MultiLabel，指的是一个样本可能同时属于多个类，即有多个标签。以商品为例，一件 L 尺寸的棉服，则该样本就有至少两个标签——型号：L，类型：冬装。

对于多标签分类任务，显而易见的朴素做法就是不管样本属于几个类，就给它训练几个分类模型即可，然后再一一判断在该类别中，其属于那个子类别，但是这样做未免太暴力了，而多标签分类任务，其实是可以「只用一个模型」来解决的。

利用 BERT 模型解决多标签分类问题时，其输入与普通单标签分类问题一致，得到其 embedding 表示之后(也就是 BERT 输出层的 embedding)，有几个 label 就连接到几个全连接层(也可以称为 projection layer)，然后再分别接上 softmax 分类层，这样的话会得到 ，最后再将所有的 loss 相加起来即可。这种做法就相当于将 n 个分类模型的特征提取层参数共享，得到一个共享的表示(其维度可以视任务而定，由于是多标签分类任务，因此其维度可以适当增大一些)，最后再做多标签分类任务。

7.3 针对翻译的任务

针对翻译的任务，我自己想到一种做法，因为 BERT 本身会产生 embedding 这样的“副产品”，因此可以直接利用 BERT 输出层得到的 embedding，然后在做机器翻译任务时，将其作为输入/输出的 embedding 表示，这样做的话，可能会遇到 UNK 的问题，为了解决 UNK 的问题，可以将得到的词向量 embedding 拼接字向量的 embedding 得到输入/输出的表示(对应到英文就是 token embedding 拼接经过 charcnn 的 embedding 的表示)。

7.4 针对文本生成的任务

关于生成任务，搜到以下几篇论文：

• BERT has a Mouth, and It Must Speak: BERT as a Markov Random Field Language Model[2]
• MASS: Masked Sequence to Sequence Pre-training for Language Generation[3]
• Unified Language Model Pre-training for Natural Language Understanding and Generation[4]

8.BERT 应用于有空格丢失或者单词拼写错误等数据是否还是有效？有什么改进的方法？

8.1 BERT 应用于有空格丢失的数据是否还是有效？

按照常理推断可能会无效了，因为空格都没有的话，那么便成为了一长段文本，但是具体还是有待验证。而对于有空格丢失的数据要如何处理呢？一种方式是利用 Bi-LSTM + CRF 做分词处理，待其处理成正常文本之后，再将其输入 BERT 做下游任务。

8.2 BERT 应用于单词拼写错误的数据是否还是有效？

如果有少量的单词拼写错误，那么造成的影响应该不会太大，因为 BERT 预训练的语料非常丰富，而且很多语料也不够干净，其中肯定也还是会含有不少单词拼写错误这样的情况。但是如果单词拼写错误的比例比较大，比如达到了 30%、50%这种比例，那么需要通过人工特征工程的方式，以中文中的同义词替换为例，将不同的错字/别字都替换成同样的词语，这样减少错别字带来的影响。例如花被、花珼、花呗、花呗、花钡均替换成花呗。

9.BERT 的 embedding 向量如何得来的？

以中文为例，「BERT 模型通过查询字向量表将文本中的每个字转换为一维向量，作为模型输入(还有 position embedding 和 segment embedding)；模型输出则是输入各字对应的融合全文语义信息后的向量表示。」

而对于输入的 token embedding、segment embedding、position embedding 都是随机生成的，需要注意的是在 Transformer 论文中的 position embedding 由 sin/cos 函数生成的固定的值，而在这里代码实现中是跟普通 word embedding 一样随机生成的，可以训练的。作者这里这样选择的原因可能是 BERT 训练的数据比 Transformer 那篇大很多，完全可以让模型自己去学习。

10.BERT 模型为什么要用 mask？它是如何做 mask 的？其 mask 相对于 CBOW 有什么异同点？

10.1 BERT 模型为什么要用 mask?

BERT 通过在输入 X 中随机 Mask 掉一部分单词，然后预训练过程的主要任务之一是根据上下文单词来预测这些被 Mask 掉的单词。其实这个就是典型的 Denosing Autoencoder 的思路，那些被 Mask 掉的单词就是**在输入侧加入的所谓噪音。**类似 BERT 这种预训练模式，被称为 DAE LM。因此总结来说 BERT 模型 [Mask] 标记就是引入噪音的手段。

关于 DAE LM 预训练模式，优点是它能比较自然地融入双向语言模型，同时看到被预测单词的上文和下文，然而缺点也很明显，主要在输入侧引入[Mask]标记，导致预训练阶段和 Fine-tuning 阶段不一致的问题。

10.2 它是如何做 mask 的？

给定一个句子，会随机 Mask 15%的词，然后让 BERT 来预测这些 Mask 的词，如同上述 10.1 所述，在输入侧引入[Mask]标记，会导致预训练阶段和 Fine-tuning 阶段不一致的问题，因此在论文中为了缓解这一问题，采取了如下措施：

如果某个 Token 在被选中的 15%个 Token 里，则按照下面的方式随机的执行：

• 80%的概率替换成[MASK]，比如 my dog is hairy → my dog is [MASK]

• 10%的概率替换成随机的一个词，比如 my dog is hairy → my dog is apple

• 10%的概率替换成它本身，比如 my dog is hairy → my dog is hairy

这样做的好处是，BERT 并不知道[MASK]替换的是这 15%个 Token 中的哪一个词(「注意：这里意思是输入的时候不知道[MASK]替换的是哪一个词，但是输出还是知道要预测哪个词的」)，而且任何一个词都有可能是被替换掉的，比如它看到的 apple 可能是被替换的词。这样强迫模型在编码当前时刻的时候不能太依赖于当前的词，而要考虑它的上下文，甚至对其上下文进行”纠错”。比如上面的例子模型在编码 apple 是根据上下文 my dog is 应该把 apple(部分)编码成 hairy 的语义而不是 apple 的语义。

10.3 其 mask 相对于 CBOW 有什么异同点？

「相同点」：

CBOW 的核心思想是：给定上下文，根据它的上文 Context-Before 和下文 Context-after 去预测 input word。而 BERT 本质上也是这么做的，但是 BERT 的做法是给定一个句子，会随机 Mask 15%的词，然后让 BERT 来预测这些 Mask 的词。

「不同点」：

• 首先，在 CBOW 中，每个单词都会成为 input word，而 BERT 不是这么做的，原因是这样做的话，训练数据就太大了，而且训练时间也会非常长。
• 其次，对于输入数据部分，CBOW 中的输入数据只有待预测单词的上下文，而 BERT 的输入是带有[MASK] token 的“完整”句子，也就是说 BERT 在输入端将待预测的 input word 用[MASK] token 代替了。
• 另外，通过 CBOW 模型训练后，每个单词的 word embedding 是唯一的，因此并不能很好的处理一词多义的问题，而 BERT 模型得到的 word embedding(token embedding)融合了上下文的信息，就算是同一个单词，在不同的上下文环境下，得到的 word embedding 是不一样的。

其实自己在整理这个问题时，萌生了新的问题，具体描述如下：

「为什么 BERT 中输入数据的[mask]标记为什么不能直接留空或者直接输入原始数据，在 self-attention 的 Q K V 计算中，不与待预测的单词做 Q K V 交互计算？」

这个问题还要补充一点细节，就是数据可以像 CBOW 那样，每一条数据只留一个“空”，这样的话，之后在预测的时候，就可以将待预测单词之外的所有单词的表示融合起来(均值融合或者最大值融合等方式)，然后再接上 softmax 做分类。

乍一看，感觉这个 idea 确实有可能可行，而且也没有看到什么不合理之处，但是需要注意的是，这样做的话，需要每预测一个单词，就要计算一套 Q、K、V。就算不每次都计算，那么保存每次得到的 Q、K、V 也需要耗费大量的空间。总而言之，这种做法确实可能也是可行，但是实际操作难度却很大，从计算量来说，就是预训练 BERT 模型的好几倍(至少)，而且要保存中间状态也并非易事。其实还有挺重要的一点，如果像 CBOW 那样做，那么文章的“创新”在哪呢~

11.BERT 的两个预训练任务对应的损失函数是什么(用公式形式展示)？

BERT 的损失函数由两部分组成，第一部分是来自 Mask-LM 的「单词级别分类任务」，另一部分是「句子级别的分类任务」。通过这两个任务的联合学习，可以使得 BERT 学习到的表征既有 token 级别信息，同时也包含了句子级别的语义信息。具体损失函数如下：

其中  是 BERT 中 Encoder 部分的参数， 是 Mask-LM 任务中在 Encoder 上所接的输出层中的参数， 则是句子预测任务中在 Encoder 接上的分类器参数。因此，在第一部分的损失函数中，如果被 mask 的词集合为 M，因为它是一个词典大小 |V| 上的多分类问题，那么具体说来有：

在句子预测任务中，也是一个分类问题的损失函数：

因此，两个任务联合学习的损失函数是：

具体的预训练工程实现细节方面，BERT 还利用了一系列策略，使得模型更易于训练，比如对于学习率的 warm-up 策略，使用的激活函数不再是普通的 ReLu，而是 GeLu，也使用了 dropout 等常见的训练技巧。

12.词袋模型到 word2vec 改进了什么？word2vec 到 BERT 又改进了什么？

12.1 词袋模型到 word2vec 改进了什么？

词袋模型(Bag-of-words model)是将一段文本（比如一个句子或是一个文档）用一个“装着这些词的袋子”来表示，这种表示方式不考虑文法以及词的顺序。「而在用词袋模型时，文档的向量表示直接将各词的词频向量表示加和」。通过上述描述，可以得出词袋模型的两个缺点：

• 词向量化后，词与词之间是有权重大小关系的，不一定词出现的越多，权重越大。

• 词与词之间是没有顺序关系的。

而 word2vec 是考虑词语位置关系的一种模型。通过大量语料的训练，将每一个词语映射成一个低维稠密向量，通过求余弦的方式，可以判断两个词语之间的关系，word2vec 其底层主要采用基于 CBOW 和 Skip-Gram 算法的神经网络模型。

因此，综上所述，词袋模型到 word2vec 的改进主要集中于以下两点：

• 考虑了词与词之间的顺序，引入了上下文的信息

• 得到了词更加准确的表示，其表达的信息更为丰富

12.2 word2vec 到 BERT 又改进了什么？

word2vec 到 BERT 的改进之处其实没有很明确的答案，如同上面的问题所述，BERT 的思想其实很大程度上来源于 CBOW 模型，如果从准确率上说改进的话，BERT 利用更深的模型，以及海量的语料，得到的 embedding 表示，来做下游任务时的准确率是要比 word2vec 高不少的。实际上，这也离不开模型的“加码”以及数据的“巨大加码”。再从方法的意义角度来说，BERT 的重要意义在于给大量的 NLP 任务提供了一个泛化能力很强的预训练模型，而仅仅使用 word2vec 产生的词向量表示，不仅能够完成的任务比 BERT 少了很多，而且很多时候直接利用 word2vec 产生的词向量表示给下游任务提供信息，下游任务的表现不一定会很好，甚至会比较差。

阅读参考文献：

[1] Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding: https://arxiv.org/abs/1810.04805

[2] BERT has a Mouth, and It Must Speak: BERT as a Markov Random Field Language Model: https://arxiv.org/abs/1902.04094

[3] MASS: Masked Sequence to Sequence Pre-training for Language Generation: https://arxiv.org/abs/1905.02450

[4] Unified Language Model Pre-training for Natural Language Understanding and Generation: https://arxiv.org/abs/1905.03197

[5] BERT 模型详解: http://fancyerii.github.io/2019/03/09/bert-theory/

[6] XLNet 原理: http://fancyerii.github.io/2019/06/30/xlnet-theory/

[7] 图解 BERT 模型：从零开始构建 BERT: http://url.cn/5vprrTM

[8] XLNet:运行机制及和 Bert 的异同比较: https://zhuanlan.zhihu.com/p/70257427

[9] 如何评价 BERT 模型？: https://www.zhihu.com/question/298203515

[10] 【NLP】Google BERT 详解: https://zhuanlan.zhihu.com/p/46652512