回顾一下bert-bert详解

1、Bert（encoder of transformer）

BERT全称为 Bidirectional Encoder Representation from Transformer，是 Google 以无监督的方式利用大量无标注文本「炼成」的语言模型，其架构为 Transformer 中的 Encoder（BERT=Encoder of Transformer）

我在 Transformer回顾详解中已经详细的解释了所有Transformer的相关概念，这里就不再赘述。

以往为了解决不同的 NLP 任务，我们会为该任务设计一个最合适的神经网络架构并做训练，不同的 NLP 任务通常需要不同的模型，而设计这些模型并测试其 performance 是非常耗成本的（人力，时间，计算资源）。如果有一个能直接处理各式 NLP 任务的通用架构该有多好？随着时代演进，不少人很自然地有了这样子的想法，而 BERT 就是其中一个将此概念付诸实践的例子。

Google 在预训练 BERT 时让它同时进行两个任务：

• 漏字填空（完型填空），学术点的说法是 Masked Language Model
• 判断第 2 个句子在原始本文中是否跟第 1 个句子相接（Next Sentence Prediction）

接下来我会分别详细介绍论文中这两个任务的设计细节

BERT 语言模型任务一：Masked Language Model

在 BERT 中，Masked LM（Masked Language Model）构建了语言模型，简单来说，就是随机遮盖或替换一句话里面的任意字或词，然后让模型通过上下文预测那一个被遮盖或替换的部分，之后做 Loss 的时候也只计算被遮盖部分的 Loss，这其实是一个很容易理解的任务，实际操作如下：
（1）随机把一句话中 15% 的 token（字或词）替换成以下内容：

• 这些 token 有 80% 的几率被替换成 [MASK]，例如 my dog is hairy→my dog is [MASK];
• 有 10% 的几率被替换成任意一个其它的 token，例如 my dog is hairy→my dog is apple
• 有 10% 的几率原封不动，例如 my dog is hairy→my dog is hairy
  (2)之后让模型预测和还原被遮盖掉或替换掉的部分，计算损失的时候，只计算在第 步里被随机遮盖或替换的部分，其余部分不做损失，其余部分无论输出什么东西，都无所谓。
  这样做的好处是，BERT 并不知道 [MASK] 替换的是哪一个词，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词的时候不能太依赖当前的词，而要考虑它的上下文，甚至根据上下文进行 "纠错"。比如上面的例子中，模型在编码 apple 时，根据上下文 my dog is，应该把 apple 编码成 hairy 的语义而不是 apple 的语义

BERT 语言模型任务二：Next Sentence Prediction

我们首先拿到属于上下文的一对句子，也就是两个句子，之后我们要在这两个句子中加一些特殊的 token：[CLS]上一句话[SEP]下一句话[SEP]。也就是在句子开头加一个 [CLS]，在两句话之间和句末加 [SEP]，具体地如下图所示：

可以看到，上图中的两句话明显是连续的。如果现在有这么一句话：[CLS]我的狗很可爱[SEP]企鹅不擅长飞行[SEP]，可见这两句话就不是连续的。在实际训练中，我们会让这两种情况出现的数量为 1:1

Token Embedding 就是正常的词向量，即 PyTorch 中的 nn.Embedding()

Segment Embedding 的作用是用 embedding 的信息让模型分开上下句，我们给上句的 token 全 0，下句的 token 全 1，让模型得以判断上下句的起止位置，例如：

[CLS]我的狗很可爱[SEP]企鹅不擅长飞行[SEP]
 0   0 0 0 0 0 0 0  1 1 1 1 1 1 1 1

Position Embedding 和 Transformer 中的不一样，不是三角函数，而是学习出来的

Multi-Task Learning

BERT 预训练阶段实际上是将上述两个任务结合起来，同时进行，然后将所有的 Loss 相加，例如

Input:
[CLS] calculus is a branch of math [SEP] panda is native to [MASK] central china [SEP]
Targets: false, south

Input:
[CLS] calculus is a [MASK] of math [SEP] it [MASK] developed by newton and leibniz [SEP]
Targets: true, branch, was

Fine-Tuning

BERT 的 Fine-Tuning 共分为 4 中类型，以下内容、图片均来自李宏毅老师课程（以下内容 图在上，解释在下）

如果现在的任务是 classification，首先在输入句子的开头加一个代表分类的符号 [CLS]，然后将该位置的 output，丢给 Linear Classifier，让其 predict 一个 class 即可。整个过程中 Linear Classifier 的参数是需要从头开始学习的，而 BERT 中的参数微调就可以了。

这里李宏毅老师有一点没讲到，就是为什么要用第一个位置，即 [CLS] 位置的 output。这里我看了网上的一些博客，结合自己的理解解释一下。因为 BERT 内部是 Transformer，而 Transformer 内部又是 Self-Attention，所以 [CLS] 的 output 里面肯定含有整句话的完整信息，这是毋庸置疑的。但是 Self-Attention 向量中，自己和自己的值其实是占大头的，现在假设使用\(w_{1}\)的 output 做分类，那么这个 output 中实际上会更加看重\(w_{1}\)，而\(w_{1}\)又是一个有实际意义的字或词，这样难免会影响到最终的结果。但是 [CLS] 是没有任何实际意义的，只是一个占位符而已，所以就算 [CLS] 的 output 中自己的值占大头也无所谓。当然你也可以将所有词的 output 进行 concat，作为最终的 output。

如果现在的任务是 Slot Filling（槽填充，比如命名实体识别），将句子中各个字对应位置的 output 分别送入不同的 Linear，预测出该字的标签。其实这本质上还是个分类问题，只不过是对每个字都要预测一个类别。

如果现在的任务是 NLI（自然语言推理）。即给定一个前提，然后给出一个假设，模型要判断出这个假设是正确、错误还是不知道。这本质上是一个三分类的问题，和Case 1差不多，对 [CLS] 的 output 进行预测即可。

如果现在的任务是 QA（问答），举例来说，如上图，将一篇文章和一个问题（这里的例子比较简单，答案一定会出现在文章中）送入模型中，模型会输出两个数s,e，这两个数表示这个问题的答案落在文章的第 s 个词到第 e 个词。具体流程我们可以看下面这幅图：

首先将问题和文章通过 [SEP] 分隔，送入 BERT 之后，得到上图中黄色的输出。此时我们还要训练两个 vector，即上图中橙色和黄色的向量。首先将橙色和所有的黄色向量进行 dot product，然后通过 softmax，看哪一个输出的值最大，例如上图中$d_{2}$对应的输出概率最大，那我们就认为 s=2

同样地，我们用蓝色的向量和所有黄色向量进行 dot product，最终预测得$d_{3}$的概率最大，因此 e=3。最终，答案就是 s=2,e=3

你可能会觉得这里面有个问题，假设最终的输出 s>e 怎么办，那不就矛盾了吗？其实在某些训练集里，有的问题就是没有答案的，因此此时的预测搞不好是对的，就是没有答案。

参考：
1、https://wmathor.com/index.php/archives/1456/
2、http://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/courses_ML19.html

后续实战会补充，请耐心等待，打赏二维码：