从elmo到Bert

虽然之前的word2vec、Glove都对词语进行了编码，但是这些编码都不能结合上下文的含义进行编码，同时对一词多意的词语不能很好的表达。比如下面这个图，tree和trees可以看做是复数的关系，但是对于rock和rocks来说，不仅仅是复数的关系，rock本身还有摇滚的意思。所以，这种词语级别的embedding，并不能很好的表示词语在不同语境中表示。

一词多意

所以，我们希望有一种词向量可以在不同的语境中对词语有不同的表示。

在不同语境需要 有不同的含义和这个场景最相近的模型就是语言模型language model 。

RNNLM

RNNLM模型就是训练一个神经网络，给了前一个词，输出下一个词，训练语料也就是我们日常接触到的新闻、小说、游记等预料。
仔细想一下，在h这个向量中，不仅包含了上一个时刻的向量，同时也包含了当前时刻的输入，那么得到的这个向量是不是就把上下文的信息考虑进来了呢？如果这时候我们取这个h向量的内容，得到的是不是就是包含了当前语境的变量呢。

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顺着这个思路，就有了TagLM这篇论文，论文的作者和emlo的作者相同，所以这篇文章也可以算是preElmo。
在语言模型的训练是利用现有的数据来进行训练，相当于已经先天就是带有标签的数据。在针对NER的任务时，先用RNN提前训练好一组词向量。wordembedding的词向量做一个拼接，作为NER的输入。

tagLM

下面描述一些模型的训练细节

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图中的左下方是先对词进行一个char级别的cnn保证不会出现很多的OOV情况，之后和token的embedding做一个拼接，之后经过一层双向的rnn。
红框部分就是将当前得到的向量和lm得到的向量做一个拼接的操作，LM训练的方法也很简单，就是用了一个双向的RNN，最后将这个输出做一个 拼接

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看一下当年的论文结果，实体识别的准确率上达到了最好。因为在最开始部分加了charCNN，所以很多人名也可以被准确的识别出来。

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在这篇文章之后，很多人开始做类似的尝试。Cove借鉴了LM的思想，用NMT得到的向量，来代替LM的向量，从而改善了效果。但是这种方法未能证明比LM效果要好，因为一般来说，NMT本身就是比LM还要难做的东西，得到向量编码不一定就会比lm准确。

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说完了上面两篇，开始讲本文的主题之一：EMLo，Elmo相对之前的模型，有两点改进：1、加入上下文信息，不在像之前固定的窗口大小，这样可以保证得到的向量是有上下文信息的；2、增加模型的神深度，并且保证将每一层得到的向量都用于预测。

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训练方法还是用双向的LSTM

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在模型的输入阶段还是使用了characterCNN保证不会出现很多的OOV，最后在输出阶段，将正向和反向的权证保证相同。目前函数也是最大似然。
EMLo的另外一个创新点就是根据不同的下游任务，选择不同的embedding的权重，这里它考虑了所有隐层和最后输出层的表示，通过不同权重，加权求和得到最终的输出。

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γ表示训练出的LM向量的权重，s表示每一层的权重的分配。
在具体的使用中，首先通过LM得到每个词的embedding，之后冻结embeeding的词向量，可以将它和输入拼接，也可以和隐藏层拼接，这个结合具体的任务。在训练中还需要注意使用dropout和regularization的使用。

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在NER任务上，和之前的模型有了明显的提升。

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同时，在多个nlp任务上，都有明显的提升。证明了，迁移学习在nlp任务中有很好的应用。

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和Glove相比，EMLo模型中，同一个词在不同的语言环境中编码是不同的，但是Glove却只能有一种embedding的内容。

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对模型进行更细粒度的分析发现，两层lstm的第一层 更多的是get'到编码的语法信息，第二层一般是get到词义的信息。在词性标注任务中，只使用第一层的准确率是97.3%，要好于使用第二层的，反之在相近词分析的任务中，第二层的F1值是高于第一层。

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Transformer
在讲transformer之前，先回顾一下，句子的表示方法。对于一个长度不定的句子来说，一般有几种方法：在得到词向量之后，通过求和、或者求平均的方法，来表示整个句子；另外的方法是采用CNN或者RNN的方法对句子进行编码，最终得到句子的输出。

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对于一个句子来说，最常用的编码方法就是RNN。输入每个词的向量，将当前词的向量和上下文信息做融合，最终得到一个向量，算作是对整个句子进行表征。这样的逻辑应该是很符合大家的认知的。

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但是这种序列的结构，是很不方便进行并行训练的，只能按照序列的顺序进行训练；同时这种模型没有考虑词和词之间的一个关联性，两个词词义相近或者相反，在模型中，并没有表示出来。
另外一种常用的模型就是CNN，CNN采用多个卷积核，把这个词旁边的信息和这个词关联起来进行处理，这样就把词语之间的关系关联了起来，同时还可以方便的实现并行；但是这样的处理方式只能提取到局部的信息，不能提取整个句子的相关性，如果句子的长度很长，就需要很多层，才能 提取出整个句子的表示；

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近些年来，常用的一种思想就是attention机制。attention在NMT中有着广泛的应用，提取出句子中多个关键词语表达的含义，降低最后一个词对整个句子的影响。

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既然attention这么牛逼，我是否可以直接通过一个attention把句子中关键的词选择出来，而不再经过RNN编码，再选择。
举一个在NMT中的例子，当我在翻译深度这个词时，首先会初始化一个Z0，这个Z0会和输入的隐层做一个内积操作，从而得到一组权重，最后用这一组权重和隐含层的向量加权和，来作为深度这个词的向量，整个的过程就是使用attention机制进行翻译。在这个例子中，key和value是相同的。

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抽象化之后如下图，其中，key的维度和query的维度必须相同，因为两者要做内积，必须保证维度相同。

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如果有多个query，那么query就会变成一个矩阵了，处理的思想还是相同的。还是Q和K做一个softmax之后和V作为加权和这样就得到attention矩阵了

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以上就是encoder和decoder之间使用的attention，通过这种方式，表征出输出的向量。那么如何做self-attention呢
self-attetnion就是自己对自己做attetion，选择出最重要的词或者句子。比如说，在获取a这个字母的向量时，会先将a的向量和其他所有的词进行内积操作，得到的权证和这个词的向量相乘，加和之后得到向量，作为a在上下文中的向量。经过这样处理之后，不仅得到了结合上下文的词的编码，还实现了可并行化处理的功能。

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Transformer的主要思想就是这个思路，这个结构还是建立在encoder和decoder的基础上，首先在encoder部分，做了两次self-attention。然后看decoder部分，decoer部分在做self-attention的时候，只能对已经输出的词做attention，不能对还没有输出的词做attention，所以还没有输出的词语需要用mask来遮盖住。这样经过两次self-attention再经过一次encoder和decoder的attention的操作，经过softmax得到最终的输出。

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具体来说，输入端部分就是这种结构。

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decoder部分和encoder类似，只是在后面的字符上会用mask作为遮挡，从而避免作弊的嫌疑。

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在transformer中更重要的一个处理是引入了multi-head机制，说白了就是利用多个卷积核来提取不同的特征。这一点在图像的处理中经常使用。
如下图所示，不同的卷积核是可以提取到不同的特征的，但是无法确定哪个特征是最重要的。

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同时self-attention是可以帮助我们决定哪个特征是重要的

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将两者结合一下就是multi-head的attetnion

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论文中transformer的结构图

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论文中多头attetnion

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这里有个细节就是scaled-dot attention，为什么要加一个scaled，试想，如果当一个句子的长度很长，那么就会导致这个向量在经过softmax之后，就会让这个分布很尖，就会导致梯度很小，这么深的模型，梯度这么小，很容易训练不下去。所以除以key的维度。

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在encoder部分，还有一个残差连接和layer normalization，前者是想保留一些特征，让这些特征直接进入到下一层，不用经过feed forward network 之后 经过一层normalization

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为了保存序列信息，加入了position embedding，

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在多头attention的使用上，self-attention中q=k=v ，在encoder-decoder中k=v，但是q和k是不相等的。

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BERT是在transformer的基础上，加入了双向的结构，在多个任务上取得了惊人的效果。
BERT的思想就是用transformer替代了lstm

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BERT的改进之一就是使用了mask LM

ELMo中采用的是双向的lstm，但是前向和后向是分开考虑，只是在最后做了一个拼接，我能不能在最开始编码的时候，就把这两个放在一起考虑呢，答案是肯定的。加入mask就是想让模型通过对左右词的判断，最终输出被mask的词，这样可以提升模型的训练效果，这个15%的比例，是经过试验效果决定的，太大太小都会影响训练的效果。

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三种模型的对比，GPT使用了transformer进行编码，但是只采用了单向的，ELMo虽然使用了双向的，但是使用lstm进行编码，效果肯定没有selfattention好。

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BERT的另一个改进的地方就是加入下一个句子的预测，建模句子与句子之间的关系。训练的方法就是将一些文章中的下一句替换掉，这样标签的话就是是否是下一句。从而在建模的时候，可以把句子与句子之间的关系也表示出来。

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整理一下，整个模型的input就是这个样子：segment embedding 会把一些词形的变化分开，比如加ing ed 这种形式。

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