《BERT:Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding》

《BERT:Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding》

• 预训练的深度双向trandformer用于语义理解；
• 作者：Jacob Devlin；
• 单位：Google；
• 发表会议及时间：2018；

1、Bert研究意义

• 获得了left-to-right和right-to-left的上下文信息；
• nlp领域正式开始pretraining+fine-tuning的模型训练方式；

2、摘要

1. 论文提粗了一种新的语言表征模型bert，不同于其他的语言表征模型吧，bert可以同时学习向左和向右的上下文信息；
2. 预训练的bert可以直接fine-tuning，只需要加相应的输出层，无需太多模型结构的改动；
3. bert模型在各项nlp下游任务中都表现得良好；

3、Bert衍生模型以及Elmo、GPT、Bert对比

3.1 RoBERTa

RoBERTa在原有BERT的基础上用了更多的数据，模型更大，参数更多，把BERT的静态mask变为动态mask。静态mask就是指在每一个epoch中mask的位置是一样的，动态mask中每一个epoch中mask的位置是不同的，使用动态mask可以式模型获得更多的随机信息；

3.2 ALBERT

ALBERT属于轻量级的BERT，BERT是一种参数量比较大的模型，为了能减少模型的参数，有两种方法，一种方法是蒸馏方法，还有一种方法是调整模型结果，这也是ALBERT使用的方法。

ALBERT使用跨层的参数共享，在原始BERT中transformer中不同layer层之间的参数是不共享的，这样导致模型的参数量非常大，在ALBERT中进行跨层的参数共享，使参数量减少，论文指出，改论文使用的参数共享方法，不仅模型性能没有降低，反而模型结果优于BERT的结果；

3.3 其它

BERT-WWM、ERINE、SpanBERT、TinyBERT、Sentence-BERT、k-Bert等；

3.4 ELMO、GPT、BERT比较

模型	模型采用结构	预训练形式	优点	缺点	在Glue上表现
ELMO	Bilstm+LM	feature-based	动态的词向量表征	双向只是单纯的concat两个lstm，并没有真正的双向	最差
GPT	Transformer Decoder部分（含有sequence mask，去掉中间的Encoder-Decoder的attention）	fine-tuning	在文本生成任务上表现出色，同时采用辅助目标函数和LM(language model)模型	单向的transformer结构，无法利用全局上下文信息	较差
BERT	Transformer Encoder部分	fine-tuning	在各项下游任务中表现出色，采用MLM(masked language model)的实现形式完成真正意义上的双向，增加了句子级别预测的任务	在文本生成任务上表现不好	最好

4、Model Architecture

以上图大致描述了BERT的结构，假定模型的输入为$[w_1,w_2,w_3,w_4,w_5]$，输入的词为one-hot形式向量，图中的Embedding层包含三部分，其形式如下所示：

BERT的输入由两个句子组成时，在第一个句子的开头添加[CLS]，在两个句子间和第二个句子结尾分别添加[SEP]，通过添加分隔符分割两个句子；

因为输入是两个句子，因此需要一种标志提示哪一部分属于句子A，哪一部分属于句子B，因此引入了Segment Embeddings，以此区分句子A和句子B。当使用BERT进行文本分类时，BERT模型的输入为一个句子，这样在Segment Embeddings中只有一种信息，不用区分句子A和句子B；

因为BERT模型没办法提取到词与词之间的位置信息，因此BERT引入了位置信息嵌入矩阵Position Embeddings，用于添加词的位置信息；

输入的单词经过Embedding之后输入到Transformer的Encoder部分，论文中提供的预训练模型有两个版本，一个是$BER{T}_{BASE}$，一个是$BER{T}_{LARGE}$：$$BER{T}_{BASE}(L=12,H=768,A=12,TotalParameters=110M)$$$$BER{T}_{LARGE}(L=24,H=1024,A=16,TotalParameters=340M)$$

上述表述中L表示Transformer的层数，H表示hidden size，A表示head的数量；

经过Encoder层之后接一个全连接层，使用GELU激活函数和Norm数据处理，其输出对mask的词进行预测，整个过程就是模型预训练的一个过程；

5、Pre-training BERT

5.1 BERT、GPT、ELMP比较图

5.2 MLM —— Mask Language Model

为了使模型学习到句子left-to-right和right-to-left的全局信息，BERT采用了两种策略：

策略1：Mask LM。随机mask一个酒醉中15%的词，用其上下文做预测：$$mydogishairy->mydogis[mask]$$

为了保证预训练和微调时的一致性，采用以下措施：

1. 80%的机会采用mask：$$mydogishairy->mydogis[mask]$$
2. 10%的机会随机选取一个词代替mask：$$mydogishairy->mydogisapple$$
3. 10%的机会保持原始词不变：$$mydogishairy->mydogishairy$$

上面的图片简单描述了BERT的MLM预训练过程，这个过程与word2vec的连续词袋模型大致一样，但是word2vec中通过背景窗口大小的上下文预测其中心词，而Bert的MLM模型是通过上下文句子预测mask的词。

策略2：Next Sentence Prediction
选择一些句子对A和B，其中50%的数据中B是A的下一个句子，50%的数据中B是从语料库中随机获取的，并不是A的下一个句子；这样做是针对句子间的任务，例如SNLI；

在预训练BERT的时候，模型同时使用两种策略进行训练。

6、Fine-tuning BERT

在句子分类任务中，就是在句子开始的[CLS]对应的token输出端接一个相应的线性层，BERT结构的参数时fine-tuning，但是线性层的参数时从头到尾训练的；

NER任务中每个token后面都会有对应的输出；

如上图所示，给定问题输入$Q=\{q_1,...,q_n\}$，给定查询文档输入$D=\{d_1,...,d_m\}$，D部分的输出为上图对应的黄色部分，为了寻找Answer的起始位置s和结束位置e，需要在Encoder的输出端添加一个橙色部分的向量和蓝色部分的向量，橙色部分的向量维度和Encoder的输出维度一样，使用黄色部分向量和橙色部分向量进行点积(dot product)再拼接一个softmax寻找Answer的起始位置s，同时，使用蓝色部分向量和黄色部分向量进行点乘再拼接一个softmax寻找Answer的结束位置e，这样就找到了Answer的范围[d_s,…,d_e]。

6.1 问答任务（阅读理解）详解

如上图所示，给定Document和Query，Document是模型进行阅读的，给定D和Q，模型会给出Answer在D中的起始位置s和结束位置e，得到最后的Answer：$A=\{d_s,...,d_e\}$；

7、模型蒸馏

1. 首先训练一个大的模型，这个大模型也称为teacher模型；
2. 利用teacher模型输出的概率分布训练小模型，小模型称为student模型；
3. 训练student模型时，包含两种label，soft label对应了teacher模型输出的概率分布，而hard label是原来的one-hot label；
4. 模型蒸馏训练的小模型会学习到大模型的表现以及泛化能力：$$KL(p\Vert q)=E_p(\log (p/q))=\sum _i{p}_i\log \left(p_i\right)-\sum _i{p}_i\log \left(q_i\right)$$公式中的i表示当前的token，p代表teacher模型的分布，q代表student模型的分布，采用KL散度作为损失函数；