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来自 | GitHub 作者 | Jay Alammar
转自 | 机器之心
如果你是一名自然语言处理从业者，那你一定听说过最近大火的 BERT 模型。本文是一份使用简化版的 BERT 模型——DisTillBERT 完成句子情感分类任务的详细教程，是一份不可多得的 BERT 快速入门指南。
在过去的几年中，用于处理语言的机器学习模型取得了突飞猛进的进展。这些进展已经走出了实验室，开始为一些先进的数字产品赋能。最近成为 Google 搜索背后主要力量的 BERT 就是一个很好的例子。Google 认为这一进步（或者说在搜索中应用自然语言理解技术的进步）代表着「过去五年中最大的飞跃，也是搜索历史上最大的飞跃之一」。
本文是一篇简单的教程，介绍如何使用不同的 BERT 对句子进行分类。本文中的例子深入浅出，也足以展示 BERT 使用过程中所涉及的关键概念。
除了这篇博文，我还准备了一份对应的 notebook 代码，链接如下：
https://github.com/jalammar/jalammar.github.io/blob/master/notebooks/bert/A_Visual_Notebook_to_Using_BERT_for_the_First_Time.ipynb。
你也可以在 colab 中运行这份代码：
https://colab.research.google.com/github/jalammar/jalammar.github.io/blob/master/notebooks/bert/A_Visual_Notebook_to_Using_BERT_for_the_First_Time.ipynb
数据集：SST2
本文示例中使用的数据集为「SST2」，该数据集收集了一些影评中的句子，每个句子都有标注，好评被标注为 1，差评标注为 0。
| sentence | label |
|---|---|
| a stirring , funny and finally transporting re imagining of beauty and the beast and 1930s horror films | 1 |
| apparently reassembled from the cutting room floor of any given daytime soap | 0 |
| they presume their audience won t sit still for a sociology lesson | 0 |
| this is a visually stunning rumination on love , memory , history and the war between art and commerce | 1 |
| jonathan parker s bartleby should have been the be all end all of the modern office anomie films | 1 |
模型：句子情感分类
我们的目标是创建一个分类器，它的输入是一句话（即类似于数据集中的句子），并输出一个 1（表示这句话体现出了积极的情感）或是 0（表示这句话体现出了消极的情感）。整体的框架如下图所示：
实际上，整个模型由两个子模型组成：
DistilBERT 先对句子进行处理，并将它提取到的信息传给下个模型。DistilBERT 是 BERT 的缩小版，它是由 HuggingFace 的一个团队开发并开源的。它是一种更轻量级并且运行速度更快的模型，同时基本达到了 BERT 原有的性能。
另外一个模型，是 scikit learn 中的 Logistic 回归模型，它会接收 DistilBERT 处理后的结果，并将句子分类为积极或消极（0 或 1）。
我们在两个模型之间传递的数据是 768 维的向量。我们可以把这个向量看做能够用于分类任务的句子嵌入。
如果你读过我以前写的关于 Iluustrated BERT 的文章（https://jalammar.github.io/illustrated-bert/），这个向量其实就是以词 [CLS] 为输入的第一个位置上的结果。
模型训练
尽管整个模型包含了两个子模型，但是我们只需要训练 logistic 回归模型。至于 DistillBERT，我们会直接使用已经在英文上预训练好的模型。然而，这个模型不需要被训练，也不需要微调，就可以进行句子分类。BERT 训练时的一般目标让我们已经有一定的句子分类能力了，尤其是 BERT 对于第一个位置的输出（也就是与 [CLS] 对应的输出）。我觉得这主要得益于 BERT 的第二个训练目标——次句预测（Next sentence classification）。该目标似乎使得它第一个位置的输出封装了句子级的信息。Transformers 库给我们提供了 DistilBERT 的一种实现以及预训练好的模型。
教程概览
这篇教程的计划如下：我们首先用预训练好的 distilBERT 来生成 2,000 个句子的嵌入。
后面我们就不会再涉及 distilBERT 了。剩下的都是 Scikit Learn 的工作了，我们接下来要做的就是将数据集分成训练集和测试集。
将 distilBert（模型 #1）的输出划分为训练集和测试集后，就得到了我们训练和评估 logistic 回归（模型 #2）的数据集了。请注意，在现实中，sklearn 在将数据划分为训练集和测试集之前，会将样本打乱，而不是直接按照数据原来的顺序取前 75%。
接下来，我们要在训练集上训练逻辑 logistic 回归模型了：
每个预测值是怎么计算出来的？
在我们深入研究训练模型的代码前，让我们先看一下训练好的模型是如何计算出其预测值的。假设我们正在对句子「a visually stunning rumination on love」进行分类。第一步要做的就是用 BERT 分词器（tokenizer）将这些单词（word）划分成词（token）。然后，我们再加入句子分类所需的特殊词（在句子开始加入 [CLS]，末端加入 [SEP]）。
分词器要做的第三步就是查表，将这些词（token）替换为嵌入表中对应的编号，我们可以从预训练模型中得到这张嵌入表。如果对词嵌入不太了解，请参阅「The Illustrated Word2vec」：
https://jalammar.github.io/illustrated-word2vec/。
注意，只需要一行代码就可以完成分词器的所有工作：
tokenizer.encode("a visually stunning rumination on love", add_special_tokens=True)现在，我们输入的句子是可以传递给 DistilBERT 的形式。
如果你读过「Illustrated BERT」（https://jalammar.github.io/illustrated-bert/），这一步也可以被可视化为下图：
DistilBERT 的数据流
将输入向量传递给 DistilBert 之后的工作方式就跟在 BERT 中一样，每个输入的词都会得到一个由 768 个浮点数组成的输出向量。
由于这是个句子分类任务，我们只关心第一个向量（与 [CLS] 对应的向量）。
该向量就是我们输入给 logistic 回归模型的向量。
从这一步开始，logistic 回归模型的任务就是：根据它在训练阶段学到的经验，对这个向量进行分类。我们可以把整个预测过程想象成这样：
我们将在下一节中讨论整个训练过程及其相关代码。
代码
在本节中，我们重点介绍训练这个句子分类模型的代码。读者可以从 colab 和 github 上获取完成本任务所需的所有 notebook 代码（链接见本文第二段）。
首先，我们需要导入相关的程序包。
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
import transformers as ppb # pytorch transformers
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.model_selection import train_test_split数据集的链接如下：https://github.com/clairett/pytorch-sentiment-classification/。我们可以直接将其导入为一个 pandas 数据帧。
df = pd.read_csv( https://github.com/clairett/pytorch-sentiment-classification/raw/master/data/SST2/train.tsv , delimiter= , header=None)我们可以通过「df.head()」查看前五行数据帧的内容：
df.head()
输出如下：
导入预训练好的 DistilBERT 模型与分词器
model_class, tokenizer_class, pretrained_weights = (ppb.DistilBertModel, ppb.DistilBertTokenizer, distilbert-base-uncased )
## Want BERT instead of distilBERT? Uncomment the following line:
#model_class, tokenizer_class, pretrained_weights = (ppb.BertModel, ppb.BertTokenizer, bert-base-uncased )#
Load pretrained model/tokenizertokenizer = tokenizer_class.from_pretrained(pretrained_weights)
model = model_class.from_pretrained(pretrained_weights)现在，我们可以对数据集进行分词操作了。请注意，我们这里要做的事情跟上文中的示例不太一样。上文中的例子只对一个句子进行了分词和处理。在这里，我们要将所有句子作为同一批进行分词和处理。在 notebook 中，考虑到算力的问题，我们只用了 2000 个句子。
分词
tokenized = df[0].apply((*lambda* x: tokenizer.encode(x, add_special_tokens=True)))
T
上面的代码将所有句子转化为了编号的列表。
现在，数据集变成了一个包含很多列表结构（或是 Pandas 的数组和数据帧）的列表。在 DistilBERT 可以将它们作为输入数据处理之前，我们需要把这些向量整理成相同的维度（在较短的句子后面填充上编号「0」）。你可以在 notebook 中看到「填充」操作对应的代码，它们就是 python 字符串和数组的简单操作。
完成「填充」操作后，我们就得到了 BERT 可以接收的矩阵/张量了。
DistilBERT 的处理
现在，我们根据填充后的词（token）矩阵创建一个输入张量，并将其传递给 DistilBERT
input_ids = torch.tensor(np.array(padded))
with torch.no_grad():
last_hidden_states = model(input_ids)
这一步完成后，会将 DistilBERT 的输出赋给「last_hidden_states」。这是一个维度为（句子数，序列中的最大词数，DistilBERT 模型中的隐藏层数）的元组。在本例中，这个维度就是（2000，66，768），因为我们有 2000 个句子，2000 个句子中最长的序列长度为 66，DistilBERT 模型中有 768 个隐藏层。
展开 BERT 的输出张量
接下来我们要把这个三维的输出张量展开。我们可以先分析一下它的维度：
回顾这些句子的「一生」
每一行代表数据集中的一个句子。第一个句子的处理过程如下图所示：
切片得到重要的部分
对于句子分类任务来说，我们只对 BERT 得到的 [CLS] 对应的输出感兴趣，所以我们只保留「立方体」中 [CLS] 对应的切片，删掉了其它内容。
这就是从三维张量中获取我们需要的二维张量的方法：
# Slice the output for the first position for all the sequences, take all hidden unit outputs
features = last_hidden_states[0][:,0,:].numpy()
现在，「features」是一个二维的 numpy 数组，它包含了我们数据集中所有句子的嵌入。
我们从 BERT 输出中切片得到的张量。
Logistic 回归中的数据集
现在我们已经得到了 BERT 的输出，并且把训练 logistic 回归模型的数据集组装好了。这 768 列是特征，我们还给出了原始数据集中的标签。
我们用于训练 logistic 回归的有标签数据集。这些特征就是 BERT 中对应 [CLS]（位置 #0）的部分，也就是我们前一张图中切片得到的部分。每一行对应着数据集中的一个句子，每一列对应着 BERT/DistilBERT 模型中顶层 transformer 模块中前馈神经网络的隐藏单元。
在完成了机器学习传统的训练集/测试集划分操作后，我们就可以创建我们自己的 logistic 回归模型，并用我们的数据集进行训练了。
labels = df[1]
train_features, test_features, train_labels, test_labels = train_test_split(features, labels)上面的代码把数据集分成了训练集和测试集：
接下来，我们要在训练集上训练 logistic 回归模型。
lr_clf = LogisticRegression()
lr_clf.fit(train_features, train_labels)
现在模型已经训练好了，我们可以用测试集对其进行评估。
lr_clf.score(test_features, test_labels)上面一段代码的输出告诉我们这个模型获得了 81% 的准确率。
评分标准
作为参照，在这个数据集上所能达到的最高的准确率是 96.8。在这个任务中，我们同样可以训练 DistilBERT 来提高其得分，也就是通常所说的调优过程，该过程可以更新 BERT 的权重参数，并让其在句子分类任务中（通常被称为「下游任务」）获得更好的性能。经过调优后的 DistilBERT 可以达到 90.7 的准确率，而完整的 BERT 可以达到 94.9。
Notebook 代码
本文开头给出了相关 notebook 代码的链接，自己去探索一下吧！
这就是本文的全部内容了，这些内容对于第一次接触 BERT 的人来说应该是非常适用的。而下一步就是查看文档并试着进行调优了。你也可以回过头来把代码中的 DistilBERT 转换成 BERT，看看它又是如何工作的。
—— 完 ——
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