【深度学习】深刻理解BERT

        BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）是由Google于2018年提出的一种预训练的语言表示模型，它基于Transformer架构并能够处理自然语言处理（NLP）中的多种任务。BERT的核心创新是其使用了双向编码器的思想，相比于之前单向的语言模型（如GPT），BERT能同时利用上下文信息。

论文链接：BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding

一、BERT整体架构

        BERT由Transformer中的encoder组成，其中BERT模型有多个版本，主要有BERT-Base和BERT-Large。BERT-Base包含12层的Transformer编码器，每层有768个隐藏单元和12个自注意力头。BERT-Large则有24层Transformer编码器，每层有1024个隐藏单元和16个自注意力头，其中BERT-Large有更多的参数，通常能够获得更好的效果。encoder由三个部分组成——输入部分、多头注意力机制部分和前馈网络部分。对于BERT中的encoder，我们重点关注的是输入部分，对于Transformer来说，输入部分分为input embedding和positional encoding，但在BERT中，输入部分为token embedding、segment embedding和 position embedding。

        如下图所示，input的内容有三种——普通词汇、<CLS>、<SEP>，而<CLS>和<SEP>的存在是为了NSP任务（处理两个句子之间的关系，属于二分类任务）。<SEP>将两个不同的句子进行分隔，通过这个特殊的标记区分句子；<CLS>是每个序列的第一个标记，将<CLS>的输出向量接一个分类器，可以去做二分类任务，但<CLS>并非是代表整个句子的语义信息。Token Embeddings就是将所有输入进行正常的embedding；Segment Embeddings是由于我们处理的是两个句子，所以需要将两个句子进行区分；在Position Embeddings中，BERT没有像Transformer中的positional encoding一样采用正余弦函数，而是随机初始化让模型自己学习出来。一旦输入标记准备好，它们就会在层叠中流动。每一层都应用自注意力，将其结果通过前馈网络传递，并将其交给下一个编码器。

二、BERT 训练

        BERT的目的是想基于微调的NLP模型，预训练的模型抽取了足够多的信息，新的任务只需要增加一个简单的输出层。因此，BERT的训练包含pre-train和fine-tune两个阶段。pre-train阶段模型是在无标注的标签数据上进行训练，fine-tune阶段，BERT模型首先是被pre-train模型参数初始化，然后所有的参数会用下游的有标注的数据进行训练。

2.1. BERT预训练 

        BERT在大规模语料库上进行无监督预训练，学习到丰富的语言表示。对于无监督的目标函数来说，有两种目标函数比较受到重视：

• Masked Language Model（MLM）：AR（autoregressive）自回归模型，只能考虑单侧的信息，典型的就是GPT。如果输入“我喜欢苹果”，P（我喜欢苹果）= P（我）P（喜|我）P（欢|我喜）P（苹|我喜欢）（果|我喜欢苹）。

• Next Sentence Prediction（NSP）：AE（autoencoding）自编码模型，从损坏耳朵输入数据中预测重建原始数据。可以使用上下文的信息，BERT就是使用的AE。如果输入“我喜欢苹果”，需要经过mask，mask之后得到 “ 我喜欢苹mask”，那么 P（我喜欢苹果|我喜欢苹mask）= P（mask=果|我喜欢苹）。

        在MLM任务中，BERT使用了掩码语言模型来进行预训练，随机遮蔽输入文本中的某些单词，并让模型预测这些被遮蔽的单词。这种方式让BERT可以捕捉到更丰富的上下文信息。当我们进行两个词的mask之后得到“我喜欢mask mask”，P（我喜欢苹果|我喜欢mask mask） = P（苹|我喜欢）P（果|我喜欢），这样的话我们可以看到“苹”和“果”两个词是独立的，但其实并不是，这也是mask的缺点之一。在BERT中，80%概率下，将选中的词元变成<mask>，10%概率下，换成一个随机词元，10%概率下，保持原有的词元。

for index in mask_indices:if random.random() < 0.8:masked_token = "[MASK]"else:if random.random() < 0.5:masked_token = tokens[index]else：masked_token = random.choice(vocab_list)

        在NSP任务中，BERT通过预测两个句子是否是连续的（即判断句子A是否紧跟在句子B后）来增强其句子级别的理解能力。NSP样本分为正样本和负样本，正样本是从训练语料库中去除两个连续的段落，负样本是从不同的文档中随机创建一堆段落。但是，NSP将主题预测和连贯性预测合并成了一个单项任务。

2.2 BERT的微调

        在海量的语料上训练完BERT之后，便可以将其应用到NLP的各个任务中了。 微调(Fine-Tuning)的任务包括：基于句子对的分类任务，基于单个句子的分类任务，问答任务，命名实体识别等。

基于句子对的分类任务：需要判断两个句子之间的关系或相似性。 

• MNLI (Multi-Genre Natural Language Inference):

  • 任务描述：给定一个前提（Premise），根据这个前提推断假设（Hypothesis）与前提的关系。任务的目标是确定假设与前提之间的关系是否成立。
  • 关系分类：任务的标签有三种类型：
    • 蕴含关系（Entailment）：假设在语义上可以从前提推导出。
    • 矛盾关系（Contradiction）：假设与前提在语义上相互矛盾。
    • 中立关系（Neutral）：假设与前提之间没有明确的推导关系。
  • 例子：
    • 前提：“The cat sat on the mat.”
    • 假设：“A cat is resting on a rug.”
    • 标签：蕴含关系（Entailment）

• QQP (Quora Question Pairs):

  • 任务描述：判断Quora上两个问题句是否表示的是一样的意思。
  • 目标：判断两个问题是否问的是同一件事，从而判断它们是否具有相同的意图。
  • 例子：
    • 问题1：“What is the best way to lose weight?”
    • 问题2：“How can I shed fat fast?”
    • 标签：相同（Duplicate）

• QNLI (Question Natural Language Inference):

  • 任务描述：用于判断一个文本是否包含问题的答案，类似于阅读理解的定位问题。
  • 目标：给定一个问题和一段文本，判断这段文本是否包含问题的答案。
  • 例子：
    • 问题：“What is the capital of France?”
    • 文本：“France is a country in Europe. Paris is its capital.”
    • 标签：是（Yes）

• STS-B (Semantic Textual Similarity - Benchmark):

  • 任务描述：预测两个句子的相似性，输出一个数值（0到5之间）。
  • 目标：评估两个句子的语义相似度。这个任务是一个回归问题，不是分类问题。
  • 例子：
    • 句子1：“I like to play football on Sundays.”
    • 句子2：“Football is a sport I enjoy playing on weekends.”
    • 标签：4（非常相似）

• MRPC (Microsoft Research Paraphrase Corpus):

  • 任务描述：判断两个句子是否是等价的（是否语义相同）。
  • 目标：判断两个句子是否是同义句。
  • 例子：
    • 句子1：“I will arrive in the morning.”
    • 句子2：“I will reach there by the morning.”
    • 标签：相同（Paraphrase）

• RTE (Recognizing Textual Entailment):

  • 任务描述：类似于MNLI，但仅对蕴含关系进行二分类判断。
  • 目标：判断两个句子之间是否有蕴含关系。
  • 例子：
    • 前提：“The dog is running in the park.”
    • 假设：“A dog is playing outside.”
    • 标签：蕴含关系（Entailment）

• SWAG (Situations With Adversarial Generations):

  • 任务描述：从四个选项中选择一个，作为前句的自然下文。
  • 目标：通过选择合适的下文来理解前句的意义和场景。
  • 例子：
    • 句子：“He opened the door and stepped outside.”
    • 选项：
      1. “He turned around and closed the door.”
      2. “He felt the warm sun on his face.”
      3. “The door slammed shut behind him.”
      4. “He heard a car honking from the street.”
    • 标签：选项2（自然下文）

基于单个句子的分类任务：主要是针对单个句子的分类问题。

• SST-2 (Stanford Sentiment Treebank):
  • 任务描述：电影评价的情感分析，判断句子的情感是正面还是负面。
  • 目标：基于给定的电影评论句子判断情感极性（正面或负面）。
  • 例子：
    • 句子：“The movie was amazing and heartwarming.”
    • 标签：正面（Positive）
• CoLA (Corpus of Linguistic Acceptability):
  • 任务描述：判断句子是否语法上可接受。
  • 目标：判断给定的句子是否符合语言的语法规则。
  • 例子：
    • 句子：“He is running.”
    • 标签：可接受（Acceptable）

问答任务：涉及从给定文本中提取答案。

• SQuAD v1.1 (Stanford Question Answering Dataset):
  • 任务描述：给定一个问题和一段描述文本，输出问题的答案。
  • 目标：通过模型在文档中定位问题的答案，类似于做阅读理解的简答题。
  • 例子：
    • 问题：“What is the capital of France?”
    • 文本：“France is a country in Europe. Paris is its capital.”
    • 答案：Paris

命名实体识别任务（NER）：这类任务的目标是识别句子中的命名实体。

• CoNLL-2003 NER (Named Entity Recognition):
  • 任务描述：判断句子中的单词是否是命名实体，如人名、组织名、地点名等。
  • 目标：从给定的文本中提取出命名实体并进行分类。
  • 例子：
    • 句子：“Barack Obama was born in Hawaii.”
    • 实体：Barack Obama（人名），Hawaii（地点名）

三、BERT,GPT,ELMO的区别

        下面是BERT、GPT和ELMO的对比表格：

特性	BERT	GPT	ELMO
模型架构	Transformer 编码器 (双向)	Transformer 解码器 (单向)	双向LSTM
训练目标	Masked Language Model (MLM)，Next Sentence Prediction (NSP)	自回归语言模型 (预测下一个词)	上下文相关的词嵌入 (基于LSTM)
训练方式	双向（左右文同时考虑）	单向（仅考虑左侧上下文）	双向（前向和反向LSTM）
应用场景	文本分类、问答、命名实体识别、推理任务等	文本生成、对话生成、翻译等	情感分析、问答、文本分类、命名实体识别等
优点	强大的上下文理解能力，适合推理任务和理解任务	强大的文本生成能力，适合生成任务	动态生成词嵌入，能够捕捉上下文的词义变化
主要优势	适用于理解类任务，处理句子对之间的关系	适用于生成类任务，生成流畅的文本	提供上下文相关的词嵌入，灵活性强
任务示例	文本分类（SST-2），问答（SQuAD），推理（MNLI）	文本生成，翻译，问答等	情感分析，问答，文本分类等

参考资料：

一文彻底搞懂 Bert（图解+代手撕）_bert详解-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_42029738/article/details/139578563

读懂BERT，看这一篇就够了 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/403495863

预训练之NSP任务详解_哔哩哔哩_bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1Ey4y1874y?spm_id_from=333.788.player.switch&vd_source=0dc0c2075537732f2b9a894b24578eed&p=4https://www.bilibili.com/video/BV1Ey4y1874y?spm_id_from=333.788.player.switch&vd_source=0dc0c2075537732f2b9a894b24578eed&p=4

预训练之MLM详解_哔哩哔哩_bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1Ey4y1874y?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=0dc0c2075537732f2b9a894b24578eed&p=3https://www.bilibili.com/video/BV1Ey4y1874y?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=0dc0c2075537732f2b9a894b24578eed&p=3

Bert输入部分详细解读_哔哩哔哩_bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1Ey4y1874y?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=0dc0c2075537732f2b9a894b24578eed&p=2https://www.bilibili.com/video/BV1Ey4y1874y?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=0dc0c2075537732f2b9a894b24578eed&p=2

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