最新语言表示方法——XLNet

介绍

近期，由卡耐基梅隆大学和谷歌大脑提出的全新 XLNet 在 20 个任务上超过了 BERT 的表现，而且还开放了源码，今天我们来讨论一下这篇论文。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/1906.08237.pdf
github: https://github.com/zihangdai/xlnet

• Context (文本内容)
• Autoregressive vs Autoencoding （自回归与自编码）
• XLNet: Best of both worlds
  • Permutation Language model
  • Two-Stream self-attention mechanism
  • Recurrence mechan

我们将快速讨论下关于文本处理两种主要方法的背景，自回归与自编码，然后进一步延申之两者的最好结合-----xlnet

实践证明无监督的学习是种坚如磐石的方法。从无背景中学习，随着语言模型的兴起，出现了许多很好的文本表示的模型如word2vec、glove等。我们有两种具有竞争力的方法自回归（AR）与自编码(AE)，我们发现两种方法都存在一些限制。

AR（自回归）

AR语言模型试图用自回归模型来估计文本语料库的概率分布，具体来说，给定一个文本序列$x=(x_1,\cdot \cdot \cdot ,x_T)$,AR利用极大似然建模正向$p(X)={\prod }_{t=1}^{T}p(x_t|X<t)$或者反向$p(X)={\prod }_{t=T}^{1}p(x_t|X>t)$。AR模型只能正向或者反向存在单方向上的依赖，存在单向流动的问题。公式若难理解可以看下图例子：

• The animal didn’t cross the street because it was too tired.
• The animal didn’t cross the street because it was too narrow

如我们给定的例子中，只看前文，我们很难猜测it指代的具体内容，编码的时候我们要看整个句子的上下文，只看前面或者只看后面是不行的。

AR模型的两个问题：

1. 顺序依赖，t依赖t-1时刻。（或者反向）
2. 单向信息流（如例子中指代信息，不能确定）

由于AR语言模型只被训练为对单向上下文（向前或向后）进行编码，因此它不能有效地对深层双向上下文进行建模。相反，下游语言理解任务通常需要双向上下文信息。这导致了AR语言建模和有效的预训练之间的差距。

AE（自编码）

单向信息流的问题 ,只能看前面，不能看后面，其实语料里有后面的信息，只是训练语言模型任务特殊要求只能看后面的信息，这是最大的一个问题。那么我们可以改变我们的训练任务。

基于AE的预训练是从损坏的输入中重建原始数据。一个值得注意的例子是Bert，它是最先进的预训练方法。给定输入token序列，token的某一部分将被一个特殊符号[mask]替换（如dog、likes），并且模型经过训练，可以从损坏的版本中恢复原始token。bert可以利用双向上下文进行重建。作为一个直接的好处，这弥补了前面提到的AR语言建模中的双向信息缺口，从而提高了性能。

基于自编码的架构，我们可以同时catch到两边的依赖。但是同时存在一些限制：

• 在预测屏蔽token时，输入中有其他屏蔽token
• 如果屏蔽token是相互依赖的呢

通过自动编码的架构，意味着我们在输出中有一个序列，在输入确定的序列中添加一些噪声，通过mask,因此当你想要预测这些mask的时候，你有左边的输入标记和在右边有什么限制。当你预测令牌之一的输入，右边也是mask的token，所以你是失去了部分信息，这是有限的，第二个问题是有两个连续的masked token像 new york,new york 是有内部依赖的，你想预测new york的结果非常好，重要的是要知道new是第一个令牌，new york与york new可能是两个城市。这与他们的位置关系存在严格的限制。

另外，在训练期间，BERT在预训练时使用的[MASK]等人工符号在实际数据中不存在，从而导致预训练的网络差异。

XLNet

面对现有语言预训练目标的优缺点，本文提出了一种广义自回归方法XLNET，它既利用了AR语言建模的优点，又避免了AE的局限性。

• xlnet是基于自回模型上的，但是它不只是向前或向后，而是双方的排列来获取依赖信息。避免单向信息流。
• 作为一种广义的AR语言模型，XLNet不依赖于数据破坏。避免mask丢失信息。避免与训练与微调的差异弊端。
• 融合了transformerXL的方法（SOTA LM）

Permutation Language Modeling

首先，我们不希望花更长的时间只是向后或只是向后，我们更关注形成新的序列，如给定序列[1,2,3,4]，我们的目标是预测3，首先根据这个因子为4的序列进行全排列，形成24种情况。上图列出了其中4中排列情况，每一种的计算如下：

• 第一，左侧没有值，是句子的开端，无需计算
• 第二，$p(3)=p(3\mid 2)\ast p(3\mid 4)$
• 第三，$p(3)=p(3\mid 1)\ast p(3\mid 4)\ast p(3\mid 2)$
• 第四，$p(3)=p(3\mid 4)$

如果是传统的AR会直接计算 $p(3)={\prod }_{t=1}^{2}p(3\mid x_t)$。
这样的处理方式，解决了单向注意力流问题，还避免了mask标记带来的问题。
那么怎么使它工作呢？
首先是位置编码，我们需要很好的位置计算，因为我们混合了一切，外部从左到右，或者从右到左，我们需要有一些位置，好在tansfomer中已经解决了这样的问题，标志只是正弦信号，他们使用了相对位置。这里提一下bert用的是绝对位置。

有了序列的选集，那我们该选择哪一个进行训练呢？

我们有4个因子就有24中排列，因此分解它很疯狂，对样本进行抽样，随机抽样，可能性是上图的公式，$Z_t$是一切可能，这里表示24（4！）种分解，z是其中之一，本质上，对于文本序列X，我们一次采样一个分解顺序z，并根据分解顺序分解似然$p_{\theta }(x)$。由于相同的模型参数θ在训练期间在所有分解次序中被共享，在期望中，$X_t$已经看到序列中（$x_i$ 与$x_t$不等）每一个可能元素，因此能够捕获双向上下文。

Two-Stream self-attention

接下来，怎么真正的处理context和position呢？

其实思路很简单，预测的时候就是保持住position不变，同时移除预测位置的context embedding。训练的时候保留context embedding。Two-Stream Self-Attention巧妙地结合了两个处理。

• 在预测当前$x_t$的时候，fix住position，移除context embeding。
• 当预测其他内容时候，再保留context embedding信息。

假设我们使用标准的SoftMax公式参数化下一个token分布$p_{\theta }(x_{Z_t}|x_{z<t})$，即：

其中$h_{\theta }(x_{z<t})$表示在适当屏蔽后transformer网络产生的表示。现在注意，表示$h_{\theta }(x_{z<t})$并不取决于它将预测的位置，即$z_t$的位置信息。因此，无论目标位置如何，都会预测相同的分布，因为目标位置无法学习有用的表示。为了避免这个问题，我们建议重新参数化下一个token分布，以实现目标位置感知：

$g_{\theta }(x_{z<t},z_t)$是一种新的表示形式，它另外以目标位置$z_t$作为输入。

• 如上图所示当作为内容表示时$h_{\theta }(x_{z<t})$，简称$h_{z_t}$，其作用与transformer标准隐藏状态相似。这种表示同时对上下文和$x_{z_t}$本身进行编码。自己的context embedding参与到了计算。公式如下：
  

• 查询表示$g_{\theta }(x_{z<t},z_t)$，简称$g_{z_t}$，只访问上下文信息$x_{z<t}$和位置$z_t$，而不访问内容$x_{z_t}$，本位置的context embedding不参与计算，如上所述。公式如下：
  

计算上，第一层查询流用可训练向量初始化，即$G_i^{(0)}＝W$，而内容流被设置为对应的字嵌入，即$H_i^{(0)}＝e(x_i)$。对于每个self-attention层，m=1，…，M，这两个表示流是用一组共享参数（如图（a）和（b）所示）进行示意性更新的,中q、k、v表示注意力操作中的查询、键和值。内容表示的更新规则与标准的self-attention完全相同，因此在微调期间，我们可以简单地删除查询流。

假设bert和xlnet都选择这两个令牌[new york]作为预测目标，并最大化log p（new york is a city）。另外，假设xlnet对factorization的order（is，a，city，new，york）进行采样。在这种情况下，bert和xlnet趋向与以下目标：

验证了我上文关于bert的限制问题。

关于bert或者self-attention的理解可参考我之前的文章。一步步理解bert

注意本地FineTuning的话，需要安装SentencePiece

pip install SentencePiece

执行上述命令即可，不然会报异常