2022李宏毅机器学习深度学习学习笔记第四周--Self-Supervised Learning

前言

本文要讲的是Self-Supervised Learning自监督学习，首先列举了Self-Supervised Learning的模型有哪些，再通过与Supervised Learning对比讲解了什么是 Self-Supervised Learning，通过四个例子具体讲了BERT怎么用以及为什么BERT有用，最后讲了自监督学习的另外一个模型GPT。

Self-Supervised Learning

模型介绍：
ELMo(Embeddings from Language Models)
BERT(Bidirectional Encoder Representations from Transformers)
ERNIE (Enhanced Representation through Knowledge Integration)
Big Bird(Transformers for Longer Sequences)

什么是Self-Supervised Learning

Supervised Learning就是有一个model，输入是x，输出是y，要有label（标签）才可以训练Supervised Learning，比如让机器看一篇文章，决定文章是正面的还是负面的，得先找一大堆文章，标注文章是正面的还是负面的，正面负面就是label。Self-Supervised Learning就是机器自己在没有label的情况下，想办法做Supervised Learning。比如把没有标注的资料分成两部分，一部分作为模型的输入，一部分作为模型的输出，模型的输出和label越接近越好。

Masking Input

“完形填空”
BERT的架构和Transformer 的Encoder 一样，一般用在自然语言处理上。BERT的输入是一串文字，将文字的一些部分随机盖住，所谓的盖住具体有两种方法，一种就是将句子中的某个字换成一个特殊的符号mask或者另一种做法就是随机把某一个字换成另外一个字，盖住部分的输出乘一个矩阵，做softmax得到一个输出，BERT学习的目标就是输出和湾字越接近越好。

Next Sentence Prediction

拿出两个句子，句子中加一个特殊的符号代表分隔，如下图，当做BERT的输入，只取CLS的输出乘上一个矩阵，做二元分类问题，两个句子相接则为yes，否则no；但是这个方法不是很有用，可能是太简单了。
我们现在训练的BERT模型其实只会做2件事情：Masked token prediction：预测盖住的词是什么。Next sentence prediction：预测两个句子是不是前后接起来的。
BERT不止做填空和句子连接，也可以被用在Downstream Tasks(一些我们真正在意的任务，需要一些标注资料)下游任务，BERT可以分化成各式各样的任务，这件事叫做fine-tune，产生BERT的过程叫做pre-train预训练。

想测试Self-Supervised Learning模型的能力，会把它测试在多个任务上，最知名的任务集叫做GLUE（具体如下图，有九个任务）想知道BERT训练出来的模型好不好，把它作用在九个任务上，看平均正确率是多少，代表了Self-Supervised Learning模型好坏。

黑线代表人类在这个任务上的正确率为1，每个点代表了一个任务，蓝色的虚线代表GLUE分数的平均。可以看到在某些任务上BERT及其改良模型已经超过的人类。

BERT如何使用

例一
比如，输入一个句子，输出类别，判断一个句子是正面还是负面问题。
BERT没法凭空解决句子分析的问题，还需要提供一些标注资料（提供大量句子，每个句子是正面还是负面）才能够训练BERT的模型。linear部分的参数是随机初始化的，BERT的初始参数是把可以做填空题的BERT的参数拿来当做初始化的参数。

例二
输入一个序列，输出同样长的序列，比如POS tagging词性标注。

BERT处理词性标注的问题，输入三个字，每个字对应一个输出向量，把三个输出向量分别做linear transformer乘上一个矩阵，在做softmax判断属于哪一个类别，BERT本体的参数不是随机初始化的参数。
例三
输入两个句子，输出一个类别，在这里举自然语言处理的例子，机器要做的事情就是判断前提和假设是否矛盾。
BERT对这个问题的处理，给它两个句子，句子中间用SEP分隔开，只取CLS的输出，丢到linear transformer（乘一个矩阵）里面，决定输出类别（判断两个句子是否矛盾）
例四
做一个问答系统（QA），即给机器一篇文章，问一个问题，机器会给你答案。

输入有文章和问题，把输入丢到QA模型里面,如上图，输出两个正整数s,e，表示从文章的第S个字到第e个字串起来就是正确答案。把文章和问题用SEP隔开作为BERT输入，如下图，需要从头开始训练的东西只有两个向量，两个向量的输出和BERT的输出长度是一样的，把橙色的向量和文章的输出向量做inner product，算出三个数值，做softmax得到三个数，d2对应的向量得到的分数最高，那么s=2，起始位置为2。

蓝色部分代表答案结束的位置，蓝色向量和对应的每个黄色向量做inner product，算出三个数值，做softmax得到三个数，d3对应的向量得到的分数最高，那么e=3，结束位置为3。正确答案就是d2 d3。

BERT 一般pre-trainingEncoder ,也有办法pre-training decoder。
给encoder的输入故意做一些扰动弄坏，decoder的输入希望跟弄坏前的结果一样。弄坏的方法有mass（把一些地方盖起来）、把词汇的顺序弄乱等等。

为什么BERT 有用呢？

输入一串文字，对应的输出向量我们叫它embedding，这些向量代表了输入的字的意思。

上面说的代表字的意思就是假设把向量划出来，发现意思越相近的字，他们的向量就越接近。很多语言都有一字多义的问题，BERT可以考虑上下文，同一个字，上下文不同，它的向量embedding也不同。
假设考虑果这个字，比如喝苹果汁，苹果电脑都就到BERT里面，计算每个“果”所对应的embedding，计算两个果之间的相似度。

值偏黄色算出来的值越大，所以自己和自己的相似度最高，对角线为黄色的，前五个果的相似度比较高，后五个果的相似度比较高，前五个果和后五个果的相似度就比较低。
一个词汇的意思可以从它的上下文中看出来，BERT可以从上下文中抽取资讯来预测W2，如下图，像这样的想法在BERT之前就已经有了，叫Word embedding，所以BERT抽出的向量又叫contextualized word embedding。

Multi-lingual BERT 多语言BERT

神奇之处在于拿英文的QA的资料去做训练，它自动就会学做中文的QA的问题。

在没有BERT之前，最强的问答模型叫QANet，正确率只有78.1，如果用BERT在中文上学会做填空题，在中文的QA资料上做fine-tune ，测试在中文的问题上，正确率只有89.1，如果是多语言的BERT，fine-tune在英文上，测试在中文上也有78.8的正确率。

GPT

Self-Supervised Learning除了BERT还有GPT系列的模型，BERT做的是填空题，GPT做的是预测接下来的token是什么。
举例，训练资料的句子是台湾大学，输入begin of sentence，GPT输出一个embedding,预测下一个出现的token“台”，详细来看就是有一个embedding(h1表示)通过一个linear transform，再通过softmax，得到一个结果。

后面是一样的，给“台”，预测出“湾”，“湾”预测出“大”

假设要GPT模型做翻译
给它一段描述，告诉他要做翻译，给出几个例子，让他直接翻译出结果，这个叫做“Few-shot” Learning,但它和一般的“Few-shot” Learning不一样，完全没有调参数的意思，所以叫“In-context” Learning,不做gradient descent；只看一个例子就知道要做翻译这件事叫“one-shot” Learning，直接叙述说要做翻译就看懂的叫“Zero-shot”Learning。

测试了42个任务，纵轴是正确率，三条实线是42个任务的平均正确率，分别代表了Few-shot、one-shot、Zero-shot，横轴代表了模型的大小。

Self-Supervised Learning不只可以用在文字上，在图像上、语音上也可以使用。

总结

通过学习了解了什么是自监督学习，是无监督学习里面的一种，主要是希望能够学习到一种通用的特征表达用于下游任务 (Downstream Tasks)。 其主要的方式就是通过自己监督自己。对于BERT来讲，其自监督训练的部分就是训练 BERT 做简单的填空题，训练好之后的BERT具有了 Word Embedding 的能力，且这里的 Word Embedding 是可以自动地考虑上下文的。这样的预训练好的 BERT 模型，只需要少量的带标签数据集，就可以在无数下游任务 (Downstream Tasks) 中完成微调 (Fine-tune)，得到一个个不同的适用于下游任务的性能卓著的model。