看了这篇你还不懂BERT，那你就过来打死我吧

 

目录

1. Word Embedding. 1

1.1 基于共现矩阵的词向量... 1

1.2 基于语言模型的词向量... 2

2. RNN/LSTM/GRU.. 5

2.1 RNN.. 5

2.2 LSTM 通过门的机制来避免梯度消失... 6

2.3 GRU 把遗忘门和输入门合并成一个更新门... 6

3. seq2seq模型... 8

3.1 朴素的seq2seq模型... 8

3.2 attention机制... 9

4. Transformer. 10

4.1 自注意力... 11

4.2 普通attention. 15

4.3 位置编码... 16

4.4 残差模块... 16

4.5 Decoder Mask. 17

5. ELMO.. 18

5.1 模型结构与原理... 19

5.2 使用... 20

5.3 局限：... 20

6. OpenAI GPT. 21

7. BERT. 22

7.1 BERT 输入表示... 23

7.2 Mask LM：... 23

7.3 怎么学习两个句子的关系：... 23

7.4实战... 25

 

2018年是NLP领域巨变的一年，这个好像我们都知道，但是究竟是哪里剧变了，哪里突破了？经常听大佬们若无其事地抛出一些高级的概念，你却插不上嘴，隐隐约约知道有这么个东西，刚要开口：噢！你说bert啊，我知道，就是一个预训练模型，然后，然后。。。然后就没有然后了。

好的，闲话少说，我们来总结一些高级的概念，究竟从何说起呢？首先要推荐大家读一读，https://zhuanlan.zhihu.com/p/49271699，张俊林大佬的解读。本文的主要目标力求把以下几个概念讲清楚:

1. Word Embedding

2. RNN

3. Seq2Seq

4. Transformer

5. BERT

1. Word Embedding

首先，说到以上这些概念，不得不提词向量。而词向量，顾名思义，就是把词向量化，这样有神马好处我们就不多说了，获得词在向量空间的表示，可以度量词之间的距离，相关度等等……我们一般有两种获取方式，一种是比较传统的，基于共现矩阵，SVD等等，另一种就是语言模型。

1.1 基于共现矩阵的词向量

基于共现矩阵的意思，就是统计指定窗口大小各个词的共现频次，这样的思想就是：可以用某个词的周边词，来表示这个词。

比如以下三句话：

I like deep learning.
I like NLP.
I enjoy flying.

表示成共现矩阵：

那我们不禁要问一句，为什么不用one-hot的方法来做呢，其实你可以想象，用one-hot来做，每个词之间的相似度似乎都是0，而且超级稀疏，那还玩个毛线啊，词之间的关联一点都刻画不出来，这对文本分析是个致命的问题。现在出现这么个共现矩阵，你说这下该可以坐享其成了吧，其实不是，这个的问题也很明显，因为，还是很稀疏呀，什么意思呢，就是说，Corpus里面有多少词，你就要多少维？？那显然会有维度灾难，并且也很稀疏。

好的，你说高维稀疏那么就好办呀，咱们的那些降维的技术拿出来呀，一个很经典的方法就是SVD,那么SVD做了什么工作呢，这里的SVD就不展开讲了。

我们只要知道其基本的做法

现在X就是共现矩阵，分解之后，得到正交矩阵U，U归一化后作为现在每个词的词向量。

现在得到了词的稠密矩阵，语义相近的词在空间的距离很近，甚至一定程度达到了反映词之间的线性关系的效果。

以上是基于词的共现矩阵来获取词向量，这种方法在推荐系统里面也经常用，可以获取item和item之间的相似关系。

1.2 基于语言模型的词向量

大家公认基于语言模型的词嵌入技术是在2003年Bengio提出的，就是经典的NNLM模型，但是又在2013年因为word2vec技术重新被认知。那么这些个模型，究竟有什么神奇的地方呢？

这个推荐大家看看《word2wec背后的数学原理》这个文章，写得很细致，在这里我们也不去推导其细节。

等等，我们是不是要先说说什么是语言模型？

一句话说：语言模型就是用来衡量一句话多大程度是人话的模型。好吧，这句话就很不人话。

详细一点，一句话概率，我们可以用这句话每个词的联合概率表示，进一步，又可以表示成多个条件概率的乘积。这个乘积越大，它这句话越可能是一句话。

 

我推荐看看宗成庆老师的统计自然语言处理，说得很清楚。传统语言模型也有缺点：如只考虑前几个词的依赖，长时依赖的问题无法解决；还有就是和训练的原始数据强相关，如：我要去北京出现过很多次，但是我要去上海出现的次数少，最后预测出的北京的概率是远远大于上海的，那这其实是不科学的，因为这两个都是城市名，其实要求预测出的概率应该较为一致。（不能共享上下文）。

1.2.1 NNLM

首先是NNLM, neural network of language model. 它解决了一部分上面说的上下文共享的问题。这个模型说来也是很有意思。现在咱不是可以根据语料对每个词进行one-hot编码吗，这个模型假设了一个C矩阵（就是一个lookup table），用one-hot 乘以C矩阵，得到的就是该词的嵌入表示，（当然，这里的C矩阵大小维度和one-hot维度有关，也和嵌入后的维度有关。）然后，再用某词的上文词（context）嵌入后的稠密表示，做一个拼接，之后按照神经网络的思路，通过激活函数，然后全连接到原来one-hot的维度上，做一个softmax，就构建了一个神经网络。

说起来很抽象，看下图。

这里要特别说明一点的就是：这个C矩阵，是一个随机初始化的矩阵，然后可以通过不断的训练，得到最终的嵌入矩阵，神奇的就在这里，我们仅仅是想构建一个神经网络语言模型，根据前面几个词，预测后一个可能是什么词。C矩阵是我们要训练的参数，结果我们却发现，我们的这个C矩阵，就是每个词的嵌入向量表示。

NNLM为何可以解决上下文共享的问题？是这样一个道理：如果“我要去北京”出现了多次，但是“我要去上海”没怎么出现过，但是只要在其他的地方，北京和上海的上下文对类似的，那么“北京”和“上海”的词向量就是类似的，最后预测“我要去”后面是“北京”还是“上海”的概率就是类似的。

如果要做其他的任务，如句法分析等，都会得到词向量，但是那种监督任务的数据宝贵，稀少。语言模型这是个无监督的，数据是大量的，代价小的，得到的词向量比较好。

1.2.2 word2vec

然后也不知道沉睡了多久，也不知还要多久才能睁开双眼。我们的word2vec出现在2013年，满足分布式假设：如果上下文是相似的，语义也是相似的。word2vec有两种训练方式，一种是CBOW: continuous bag-of-words. 一种是skip-gram.

这两个也很有意思，CBOW是根据周围的几个词预测中间的词，skip-gram是根据中间的一个词预测周围的几个词。他们和NNLM有什么关系吗？

有! 那CBOW来说，它相比NNLM，少了隐藏层，而且上下文通过投影层之后，是直接相加的，而我们上面说了，NNLM是通过拼接的方式。我们的CBOW就是奔着词向量去的。当然，这个不仅仅是这一点改进，最牛的还是w2v后面的大量运算的简化思想，这里也不说了，在《word2vec背后的数学原理》讲得十分的清楚，主要是两种手段：1, 层次化的softmax。 2, 负例采样。 至于这里的层次化softmax是怎么样用的哈夫曼树，负例采样的一些采样细节，我们也不在这里说了。

 

然后说得十分闹热，这个词向量我们已经获得了，那为什么不能把这个看成是一个预训练模型呢，其实是可以的，就和图像领域的预训练似乎差不多了，而且也有两种打开方式：一种是frozen, 另一种当然就是fine-tune. 说到这里，我们还是要指出word2vec的不足，就是，这个模型，不能够很好地做歧义消解，怎么说呢，摊牌了，就是说这是一个静态向量：那我们在谈论苹果的时候，我们究竟在谈论什么？对的，我们在谈论乔布斯的iPhone，还是谈论砸中牛阿顿的那个东西？很显然，无从得知，因为你的embedding是固定的，没法区分，w2v把所有的意思都给学到了一个向量里面。所以才会有动态词向量这个概念产生。顾名思义，动态词向量，就是能够动的词向量，动体现在，随着上下文的不一致，我们产生的词向量也是不一致的，这好理解吧，就好比说，我们看苹果出现的时候，它周围出现的是乔布斯，还是牛阿顿，是一款，还是一斤？

2. RNN/LSTM/GRU

由于语义是上下文相关的，如果要强行用一个向量编码，只能编码到一个向量里面。我们都知道RNN是带有记忆的网络，上下文的语义可以通过RNN等来建模。

2.1 RNN

存在梯度消失的问题。

2.2 LSTM 通过门的机制来避免梯度消失

2.3 GRU 把遗忘门和输入门合并成一个更新门

可以做的任务：

1. 序列标注

1. 文本分类

但是还有一些任务做不了，比如机器翻译：我们不能要求输出句子一对一吧，也不能要求长度要一致，所以才出现了seq2seq模型。

 

3. seq2seq模型

3.1 朴素的seq2seq模型

需要两个RNN，一个是encoder，一个decoder。

可用于翻译、摘要、问答和对话系统。

如翻译系统，可以认为是一个句子经过encoder，然后得到一个context向量，这个向量编码了整个句子的信息，然后由这个context向量，和每个时刻decoder的隐状态一起，输入到decoder解码出翻译出来的句子。（attention和transformer是对seq2seq的改进）

Seq2seq也有问题，比如我们仅仅用一个向量试图编码整个语义，这其实很容易看出来比较简单粗暴，像我们人一样，如果读了一篇文章，脑子里有大概的印象，但是如果问一个特定的问题，还是需要在原文中去寻找对应匹配的内容的。所以这就出现了attention机制。

 

这种具有比较好的监督数据，一般能够得到比较好的句子的编码，表现不错，但是更多的任务需要无监督的词向量编码方法。所以出现了ELMO,GPT,BERT等。

3.2 attention机制

可以看成是decoder隐状态向量ht，要从encoder中提取出更详细的信息，于是可以把ht和前面encoder中的隐状态向量hs做内积，得到的就是各个hs的得分（权重），再乘以各个hs，得到的context vector和原来的ht拼接起来，就得到了最后的向量。

可以看成是翻译中平行语料各个词的对齐过程。在翻译任务中学习到了对齐的关系。

RNN的问题:

1. 时序依赖，无法并行

1. 单向信息流

在这种语境下，如果是从头开始读句子的话，是无法知道it的指代的。

那么编码一个词的时候，其实是需要参考整个上下文的。

如何解决？

* Attention？

前面提到的Attention，好像是需要解码层那边的信息，来完成编码，这就出现了自注意力，可以把普通的attention看成是需要外部驱动的，那么self attention就是个自驱动的。

Self-attention是transformer的一个重要部分。

4. Transformer

这里祭上大名鼎鼎的：Attention is all you need. https://arxiv.org/abs/1706.03762.

要说到这个transformer，不得不提到Encoder-decoder模型，我们知道，Encoder-decoder经常被用来做无监督的特征提取工作。

当我们把编码组件给剖开，我们看看里面是何方神圣，我们发现编码组件里面包含很多个编码器，官方取的6个，当然你也可以取其他数量。而再细看，每个编码器又分为：self-attention 层和feed-forward层。

那可以这么说，要弄懂transformer，就得先搞懂这两层：

自注意力层：

说到自注意力，我们都知道，通俗来说：自注意力是为给整个句子所有的单词一定的权重，得到一定的关注。此处，引入self-attention层，当然是为了让每个单词在进行编码时，都能关注要句子的其他单词。

然后自注意力层的输出送到前馈神经网络，注意，这里每个单词对应的前馈神经网络都是一样的。

4.1 自注意力

4.1.1 计算过程

这里抠一抠自注意力层的细节，比如说，现在有一个句子，这个句子输入进自注意力层，详细步骤是怎么样的呢？

在这里的自注意力层中，是需要每个x去计算当前的z的。但是算r1是可以只根据z1计算出来的。

首先声明一点概念，我们在自注意力层会训练三个权重矩阵，分别是WQ查询矩阵，WK键矩阵,WV值矩阵, 这里有没有想起老大哥NNLM那个午后的C矩阵？

我们训练这三个矩阵，是为了干嘛呢？就是分别乘以初始的词嵌入向量，得到三个向量，分别是q查询向量，k键向量，v值向量。

看图：

好了，大神画的这个图已经足够一目了然了。

得到了这三个向量，然后干嘛呢，仔细听：当我们要编码X1向量时，肯定是要考虑周围的词的，所以要用q1向量乘以K1向量，用q1乘以k2,分别得到两个得分，而这两个得分softmax归一化后作为权重，乘以各自的值向量。而值向量再求和，得到的就是注意力层该位置的输出！如果参数被训练的足够好，那么这个编码是完全能够体现出自注意力的特性的。

x1是初始的向量，v可以看成是词的真正的语义。

【理解：普通attention也可以看成是上述过程的一个特例，每个decoder的隐状态就是query向量，key就是encoder的输出，value也是encoder的输出。】

但是呢，这样一个词一个词来，很慢，我们肯定要想办法提高速度，我们发现这个和RNN还不一样，各个词之间输入输出之间没有先后顺序，可以做并行，那么我们就会直接用矩阵的乘法来解决这个事情了：

不用惊讶，这里的过程和上面我们说的是一模一样，除了根号dk，是在归一化之前的一个小处理，并不影响。

得到的Z，就是我们的带注意力的词编码，是自注意力层的输出。

4.1.2 多头

进一步我们要多讨论一下，transformer里面有个概念叫多头（当然不是炒股炒汇里面的多头空头啦），multi-headed attention, 这个说的是啥呢，很容易理解，可能各个QKV的任务可能各司其职，比如一个head可能是指代消解的，一个head是考虑上下文的。就是大佬们觉得你一个Q, K, V矩阵好像不够啊，这怎么弄呢，就用多组Q, K, V矩阵，重复以上的操作

会输出多个Z矩阵，然后再进前馈层，但是前馈层是一样的，可以吧多个Z矩阵合并再进行操作，合并的细节：可以把Z矩阵们拼接，再乘以权重矩阵（主要是为了压缩），得到最终Z矩阵。

看下图，更清晰：

 

4.2 普通attention

Transformer中还是包含有普通的attention，因为假如还是一个翻译任务，像seq2seq那样的结构，还是需要有attention，从encoder中去提取出相应的需要的信息的。

所以在解码器中，除了编码器有的这两层，还多出一层编码-解码注意力层：

Encoder最后一个时刻的信息，被引入到decoder中。

4.3 位置编码

我们在编码北京的过程，北京变成了向量，然后乘以QKV，矩阵都是确定的，那么两个句子得到的最后的向量也是一样的。

这个transformer模型，没有LSTM的序列关系，那么是不是就意味着，全程都没有表示词的位置的信息？

为了解决这个问题，transformer特地用了一种位置编码的方式，赋予每个位置的单词一个位置编码，然后把这个位置编码和词嵌入相加。

有绝对位置编码（bert/gpt），以及相对位置编码(原始transformer)。

4.4 残差模块

这里有小细节，需要注意，我们看原结构：

其实这个是简化的，啥意思呢，就是说，有细节没有画出来。

每一个编码器，到前馈神经网络输入的时候，其实是原向量和训练后的向量相加的结果：

 

 

整个过程捋一遍：编码层在训练之后，得到许多个矩阵（Q,K,V），这些矩阵会送到解码层里面，解码的过程，就是每输入一个词，预测出下一个词，直到到达终止符。另外，就像我们对编码器的输入所做的那样，我们会嵌入并添加位置编码给那些解码器，来表示每个单词的位置。

这里的线性变换和softmax，是一个全连接层，从实数向量到一个很长的logits向量，然后softmax。

 

https://www.jiqizhixin.com/articles/2019-01-09-18，这里有机器之心更详尽的阐述。

4.5 Decoder Mask

在decoder中，未知的词不能够作为输入

用一个掩码矩阵，翻译第i个词的时候只能看前i-1个词。

 

总结：

1. Transformer能够并行，所以能够做得很深。

2. Transformer解决了双向信息流的问题，至少在encoder端。

没解决的问题：

机器翻译当然没问题，但是其他的任务，没有这么大的监督语料。

所以，症结在这里：

word Embedding无监督学习得到的向量虽然不错，但是缺少上下文；

rnn，LSTM,transformer可以有上下文信息，但是监督的数据太少。

如何解决？

Contextual word embedding：

既可以无监督学习，又要有上下文信息。大佬出现：ELMO!!!!!

5. ELMO

隆重地推出来ELMo, embedding from language models.

上图的意思是，要用Elmo模型产出词向量，你要先给我上下文。

ELMo的官网：https://allennlp.org/elmo，这个神器Elmo有什么好处呢。首先，这是通过训练一个语言模型实现的，语言模型而已，要找语料岂不是很容易？

5.1 模型结构与原理

模型如上图，本质还是一样的，通过大一堆语料，通过预测任务学习出这样一个模型，pretrain就完成了。

接下来如何做一个任务，如情感分类。是这样的：首先来了一个句子，那么利用这个多层的双向的LSTM把每个词都进行编码，每个词得到一个向量，双向多层的就是2N个向量，然后加权组合，得到新的向量，这个向量作为特征，下游的任务该怎么做就怎么做。

另外，据说可以处理单词用法的复杂特性，如句法和语义（为什么可以？是由于ELMo的输入是字母为单位，而不是单词，所以这对于oov未登录的单词也有很好的效果）。它和word2vec的最大不同就是，它提供了一个动态的词向量，根据上下文的不同，模型产出的词向量是不同的。

说一说Elmo模型的结构，

它是基于深度双向语言模型（biLM）训练的，即，通过双向的LSTM来提取文本特征，根据它们的内部状态学习到的函数，作为词向量。

这里还是说一下双向的意思，通俗的说，就是把文本正向反向都提取一遍，这个叫双向。上面的biLSTM内部结构可以再细化一点，就是下面这个样子，经过一个biLSTM之后，输出的是正向的和逆向的拼接向量。

ELMo的贡献还在于，它发现，在深层的RNN模型中，不同层次的RNN提取到的特征是有差异的。所以ELMO提出，赋予不同的层次一个可训练的参数，这个参数作为权重，以方便在做下游任务时，用这个加权和的词向量能更好适应任务。

 

5.2 使用

Elmo可以通过pip install allennlp来安装，也可以download GitHub上的源码来做[https://github.com/allenai/allennlp]，当然这个项目是构建在pytorch上面的。

这个模型还可以自如的使用：

5.3 局限：

这个模型看起来十分不错，但是就是速度太慢了。加上我们站在这里来往前看历史，我们发现，LSTM的特征抽取的能力偏弱，而Google提出的transformer抽取器，则是一个更牛逼的存在。

还有一个问题，就是学习到的向量，不一定适合特定的任务，因为每个任务（只要句子是相同的）学习到的向量都是一样的。所以OpenAI GPT做了改进。

6. OpenAI GPT

OpenAI GPT 如何做一个语言模型？？？

由于transformer有encoder和decoder，这当时是在你做类似翻译的任务所必须的，但是现在我们做语言模型，只有一个句子，不是句对，怎么办？

OpenAI GPT 用的就是没有encoder的Transformer！当然会用多层stack。

那么我们怎么fine-tuning呢？

强行把所有的任务改造成一个句子，喂入transformer。

优点：可以训练更深，效果也很好。

缺点：单向信息流的问题。

为什么会有这个问题？其实我们在给一个句子分类任务的时候，我们出的句子是完整的，对不对，但是仅仅是由于这个模型的局限，使得在训练的时候，只能看前面的信息，这是最大的问题。

另外，pretrain 是一个句子，任务时有可能有两个。

有没有办法，能够使得模型能关注到整个句子？？

BERT!

7. BERT

Bert 的方案：

1. 解决单向信息流：

Mask LM

1. NSP Multi-task Learning 搞成两个句子的多任务，解决不匹配的问题。

2. Encoder again

 

7.1 BERT 输入表示

7.2 Mask LM：

这就换了个任务，就不是从前面的词预测后面的词，而是完形填空的任务，（这其实也是几十年前就有了）。

 

7.3 怎么学习两个句子的关系：

随机0.5概率抽取连续的句子，预测1，0.5的负例，预测0。那么这样就可以学习出两个句子之前的关系（对问答，或者句子包含关系的任务都很有用）。通过这样的多任务：Mask LM，next sentence prediction，可以学习到一个很好的模型。

如何使用呢？

1. 单个句子的任务，如分类。

选第一个词的embedding，作为整个句子的表示。不能用其他的词，因为只有第一个词[CLS]是没有意义的，他的意义就来自于其他的词！真的是妙。

2.两个句子的任务

两个句子的分类也是一样的。

3.问答

预测这个词是否是答案的开始和结束。

4. 序列标注

7.4实战

Google预训练好的模型：

7.4.1 Fine-tuning:

7.4.2 Pretraining:

1. 数据预处理

2. Pretraining:

 

好了，到了最后总结的时候了，其实也无多要总结的。

就是这么奇妙，你信心满满地要进军自然语言处理，然后踌躇满志地啃最牛逼的模型，我要那种最新的，最强的，什么？

听说目前BERT是最屌的，然后你就要去啃BERT了，但是你要啃BERT，你不清楚transformer怎么行？

好！那就从transformer开刀，你要啃transformer，你得弄清楚encoder-decoder模型吧？这个模型是怎么来的呀，噢，查资料，你知道是为了从seq2seq来的，那怎么会有seq2seq模型呢？

哦哦我们知道了是为了解决如翻译等序列到序列的任务提出来的，那seq2seq是怎么工作的？然后知道他最先是两个RNN（LSTM/GRU）组成的。

那你不得去看看RNN，为啥要RNN，是因为在词向量编码时我们希望有上下文的信息呀。

那不要上下文行不行，也行，就是word2vec，那word2vec的历史也得扒一扒。

词向量的历史，往前扒，一直到2003年的NNLM，以及之前的one-hot，以及共现矩阵的词向量，太多太多了，把NLP的祖宗十八代都扒出来了，所以最后发现。

又回到最初的起点，所以学习知识，是在积累，从基础的一步一个脚印过来吧，要仰望星空，关注前沿发展，也要脚踏实地，夯好基础，理解透彻！！