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预训练语言模型(PLMs)综述

plms

预训练语言模型(PLMs)

内容来自AACL 2022 Tutorial

https://d223302.github.io/AACL2022-Pretrain-Language-Model-Tutorial/

https://d223302.github.io/AACL2022-Pretrain-Language-Model-Tutorial/lecture_material/AACL_2022_tutorial_PLMs.pdf

预训练语言模型(PLMs)是在大规模语料库上以自监督方式进行预训练的语言模型。在过去的几年中,这些PLM从根本上改变了自然语言处理社区。传统的自监督预训练任务主要涉及恢复损坏的输入句子,或自回归语言建模。在对这些PLM进行预训练后,可以对下游任务进行微调。按照惯例,这些微调包括在PLM之上添加一个线性层,并在下游任务上训练整个模型;或将下游任务表述为句子补全任务,并以seq2seq的方式微调下游任务。在下游任务上对PLM进行微调通常会带来非凡的性能提升,这就是plm如此受欢迎的原因。

在本教程中,从两个角度提供广泛而全面的介绍:为什么这些PLM有效,以及如何在NLP任务中使用它们。

  • 第一部分对PLM进行了一些有见地的分析,部分解释了PLM出色的下游性能。其中一些结果帮助研究人员设计更好的预训练和微调方法
  • 第二部分首先关注如何将对比学习应用于PLM,以改进由PLM提取的表示,然后说明如何在不同情况下将这些PLM应用于下游任务。这些情况包括在数据稀缺的情况下对PLM进行微调,以及使用具有参数效率的PLM。

Part 1 Introduction

PLM + fine tune

Part 2 Why do PLMs work

2.1 Contextualized word respresentation

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词向量表示方法,比如Word2Vec/Glove,BERT可以被视为一种先进的词向量表示方法,即上下文词向量表示(contextualized word respresentation),不仅仅包括:相似的token有相似的embedding表示(这在word2vec/Glove中已经实现了),还考虑了token的上下文信息,因此相同的词可能有不同的词向量表示。

2.2 BERTology - What does each layer learn?

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2.3 BERT Embryology - What BERT learned during training?

2.4 When do you need billions of words of pretraining data

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2.5 cross-discipline capability(跨学科能力)

2.6 Pre-training on Artificial Data

Part 3 How to Use PLMs: Contrastive learning for Pre-trained Language Models

Why Contrastive?(为什么需要对比学习)

想要在以下场景对词有一个比较好的表示:

  1. 相似的输入有相似的表示(positive pairs)
  2. 不相似的输入有不相似的表示(negative pairs)

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3.1 Why we need sentence-level representation?

  • Provide as a backbone that can be useful on a variety of downstream sentence-level tasks(提供可用于各种下游句子级任务的主干)
  • Good generalization ability on tasks without much training data e.g. even linear probing can achieve good performance(良好的泛化能力,不需要大量的训练数据。即使是线性探测也能取得良好的性能)
  • Efficient sentence-level clustering or semantic search by innerproducts(基于内部产品的高效句子级聚类或语义搜索)
  • Measure similarities among sentence pairs(句子对间的度量相似性)
  • Unsupervised methods are more desirable in order to be applied to languages beyond English(非监督的方法是更可取的,以便应用英语以外的语言)

3.2 Pre-BERT methods

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3.3 How to obtain sentence-level representations from BERTs

  • 不能简单地从token-level的表示中获得。

  • BERT表示空间中的各向异性问题(anisotropy problem):

    在这里插入图片描述

    • 表示退化(representation degeneration):学习的嵌入在向量空间中占据一个狭窄的圆锥;
    • 限制向量空间的表现力
  • BERT flow: 在这里插入图片描述

  • BERT-whitening

3.4 Cotrastive learning method

  • Designed positives —— DeCLUTR、ConSERT
  • Generating Positives
  • Bootstrapping Methods —— BYOL
  • Dropout Augmenttions —— SimCSE (Unsupervised)、Supervised SimCSE、mSimCSE
  • Equivariant Contrastive Learning
  • Prompting
  • Ranking-based Methods —— RankEncoder

3.5 conlusion

  • Contrastive learning should have more potential in NLP for using pre-trained language models in representation learning!

Part 4 How to Use PLMs: Parameter-efficient fine-tuning

  • Problem: PLMs are gigantic (in terms of numbers of parameters, model size, and the storage needed to store the model)

  • Solution: Reduce the number of parameters by parameter-efficient fine-tuning

    在这里插入图片描述
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一个标准的fine-tuning实际执行的操作?-> 更改PLM的隐藏层表示以使得它能够在下游任务更好地表现。在这里插入图片描述

4.1 Adapter

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  • Adapter:一个被嵌入transformer的小的可训练子模块

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

  • 在fine-tuning期间,仅更新adapters与classifier head的参数。

  • 通过采用adapter结构,所有下游任务共享PLM参数,每层的adapters以及classifier heads则是特定任务的模块。

4.2 LoRA

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  • LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models

    • 平行地插入transformer的feed-forward层,也可以插入multi-head attention层

    在这里插入图片描述

    • 考虑LoRA平行地插入feed-forward层的情况:在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  • 通过采用LoRA结构,所有下游任务共享PLM参数,每层的LoRA以及classifier heads则是特定任务的模块

4.3 Prefix tuning

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  • Prefix Tuning: 在每层之前插入可训练前缀

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  • 标准的self-attention结构:在这里插入图片描述

  • 加上prefix后的self-attention结构:

    在这里插入图片描述

  • Only the prefix (key and value) are updated during finetuning

4.4 (Soft) Prompt tuning

  • Soft Prompting:在输入层预先嵌入前缀

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 如何确定软提示嵌入的长度?

    • 提示长度必须足够长
    • 当提示长度足够长时,增加提示长度会减少性能增益
  • 如何初始化软提示嵌入?

    • 随机初始化
    • 从前5000个高频词的词嵌入中采样
    • 采用下游任务的类别标签

4.5 summary

  • 优势1:大幅度减少特定任务的参数在这里插入图片描述

  • 优势2:训练数据不容易过拟合;更好的域外性能在这里插入图片描述

  • 优势3:需要微调的参数更少,使它们在小数据集训练时更有优势在这里插入图片描述

  • 应该使用哪种parameter-efficient fine-tuning 策略?

在这里插入图片描述

Part 5 How to Use PLMs: Using PLMs with different amounts of data

  • 目标:fine-tune一个PLM以适配下游任务
    • 习惯上,我们假设我们有足够的对应目标任务的有标签数据
    • 有时,我们可能有额外的用于其他任务的有标签数据(是否可以用于当前任务的训练呢?)
    • 有时,用于目标任务的有标签数据很稀缺
    • 有时,我们只有少量用于目标任务的有标签数据,还有与当前任务有关的无标签数据
    • 有时,我们没有任何用于当前任务的有标签数据
  • 对于不同大小规模的数据,应该怎么使用PLM?
    • Target task dataset (labeled)
    • Datasets of other tasks (labeled)
    • Data related to target task (Unlabeled)

5.1 Intermediate-task fine-tuning: using labeled data from other tasks

在这里插入图片描述

  • What kind of intermediate tasks can help target task?

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  • Same type of tasks is the most beneficial

    • 当对整个模型进行微调时,将为每个中间任务提供一个全尺寸模型

    • 当使用soft prompt tuning进行微调时,只需要transfer软提示嵌入,而不是一整个模型——Soft Prompt Transfer (SPoT)

      • Soft Prompt Transfer (SPoT):任务的软提示符可以用作该任务的任务嵌入

      • Soft Prompt Transfer (SPoT):给定一个新任务,我们可以先只使用该新任务进行训练,然后找到一个任务嵌入与新任务的任务嵌入最相似的间接任务,并使用它进行转移。

        在这里插入图片描述

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5.1.1 Multi-task fine-tuning: 5-1.1: using labeled data from other tasks

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5.1.2 Prompt tuning for few-shot learning
  • 标准的fine-tuning通常假设有大量的有标签训练数据

  • 数据稀缺在处理下游任务时是很常见的

  • Few-shot learning:有一些(less than a hundred)有标签训练数据

  • 通过将数据集中的数据点转换为自然语言提示(natural language prompts),模型可能更容易知道它应该做什么

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  • prompt tuning中需要什么?

    在这里插入图片描述

    • A prompt template: 将数据点转换为自然语言提示

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    • A PLM: 执行语言建模

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    • A Verbalizer:标签与词汇的映射

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  • 提示微调(prompt tuning)与标准微调(standard fine-tuning)的区别

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    • input format不同:

      prompt tuning: natural language prompt with a mask token to fill in.

      standard fine-tuning: simply combining sentences with a separator token

    • prompt tuning: simply use the language model head and the verbalizer to predict the class of the downstream task.

      standard fine-tuning: initialize a new classifier head for fine-tuning

    在数据稀缺的情况下prompt tuning表现更好:<在这里插入图片描述

    • 引入了人类知识,且没有引入额外的参数。
  • 如何选择verbalizer?

    • 人工设计:需要特定任务的知识

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    • Prototypical verbalizer:使用可学习的原型向量去表示一个类,而不是使用词汇表中的词汇

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      • I. 获得instance representation

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      • II. 通过对比学习(contrastive learning)获得learnable prototypr vector

        • ①instance-instance contrastive

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        • ②instance-prototype contrastive

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      • III. 执行推断:找出与测试数据的instance representation 最相近的prototype

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      • 方法对比:

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        • 人工设计verbalizer在大多数情况下是最优的,但是这依赖于特定任务领域的知识
        • Prototypical verbalizer 不依赖于特定任务领域的知识,但是即使在一个类别仅有一个label的情况下也有较好的表现
  • LM-BFF: better few-shot fine-tuning of language models

    • 核心:prompt + demonstration

      • standard prompt tuning:

        在这里插入图片描述

      • prompt + demonstration:

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    • Demonstrations can improve the performance of prompt tuning and makes the variance smaller

      在这里插入图片描述

  • prompting vs. probing

    • “提示”的概念在最近的NLP社区中首次用于探究(probing)PLM的事实知识
    • probing是探索PLM中编码了哪些知识的过程,PLMs通常在probing期间被固定
    • Prompting通常使用自然语言去询问PLM,PLM在prompting期间可以被微调
    • prompting与probing的目的不同

5.2 Semi-supervised learning with PLMs

  • Semi-Supervised learning(半监督学习):有少量的带标签数据以及大量的无标签数据

  • 核心思想:使用带标签数据训练一个好的模型,然后使用训练后的模型为无标签数据打标签(pseudo-label)。

  • 方法1:Pattern-Exploiting Training (PET) ,步骤:

    1. Use different prompts and verbalizer to prompt-tune different PLMs on the labeled dataset

    2. Predict the unlabeled dataset and combine the predictions from different models

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    3. Use a PLM with classifier head to train on the soft-labeled data set

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  • 方法2:Self-Training with Task Augmentation (STraTA)

    • Self-training:使用模型在无标签数据集上的预测作为伪标签
    • 如何初始化模型对于最终性能是至关重要的

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    ​ teacher model:为无标签数据打标签的模型

    ​ student model:使用带标签数据与伪标签数据训练得到的模型

    • Task augmentation:使用无标签数据生成一个NLI数据集,然后将NLI数据集作为intermediate task进行微调,获得基础模型。

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    步骤:

    1. Train an NLI data generator using another labeled NLI dataset using a generative language model (训练一个NLI数据生成器)

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    2. Use the trained data generator to generate NLI dataset using the in-domain unlabeled data (使用训练得到的数据生成器,结合无标签数据生成NLI数据集)

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    3. Use the generated in-domain NLI dataset to fine-tune an NLI model. The finetuned model is used to initialize the teacher model and student model in self-training (使用生成的NLI数据集去微调NLI模型,微调得到的模型用于初始化teacher模型与student模型)

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5.3 Zero-shot learning

  • Zero-shot inference:不使用任何训练数据去推断下游任务。
  • GPT-3 shows that zero-shot (with task description) is possible
  • zero-shot的能力从何而来?
    • 假设:在预训练期间,训练数据集隐含地包含不同任务的混合
    • 假设:多任务训练实现了zero-shot泛化

Conclusion and Future work

6.1 Conclusion

  • Researchers have studied why PLMs are useful from many aspects
  • Contrastive learning is a powerful method to obtain high quality sentence embedding in an unsupervised way
  • Parameter-efficient fine-tuning can achieve comparable performance to full-model fine-tuning
  • PLMs can be used in with different amount of labeled and unlabeled datasets, and incorporating human knowledge is very critical the performance

6.2 Future work

  • Why PLMs work is not completely answered yet, including the mathematical theory / learning theory behind the PLMs (为什么PLMs的工作还没有完全地解决,包括其背后的数学理论/学习理论)
  • How can we create better negative and positive samples for contrastive learning in an unsupervised way (我们如何在无监督的情况下为对比学习创造更好的负样本和正样本)
  • How can we combine parameter-efficient fine-tuning methods with other methods (pruning, compression, quantization) to further reduce the parameters?(我们如何将参数高效微调方法与其他方法(剪枝、压缩、量化)结合起来进一步减少参数?)
  • How does those few-shot learning methods perform domain-specific datasets? (那些few-shot学习方法怎么在特定领域的数据集上执行)
  • How trust-worthy are the prediction of PLMs, especially in few-shot and zero-shot? (PLMs的预测可行度如何,尤其在few-shot和zero-shot领域)
  • Why is the variance between different prompts very large for certain tasks? Does this imply the PLM fail to understand human language?(为什么在某些任务中不同提示之间的差异非常大?这是否意味着PLM无法理解人类语言?)
  • How do we continuously adapt PLMs to different domain and datasets from different time? (我们如何不断地使PLMs适应不同时间的不同领域和数据集?)
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