Bert: 双向预训练+微调

最近要开始使用Transformer去做一些事情了，特地把与此相关的知识点记录下来，构建相关的、完整的知识结构体系。

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背景

Bert，全称是Bidirectional Encoder Representation from Transformers。顾名思义，主要的亮点是双向编码+Transformer模型。

在上一文《GPT》中，我们知道GPT是一个标准的语言模型，即用context来预测下一个词。这样就有两个缺点：

• 限制了模型结构的选择，只有从左到右方向的模型才能够被选择。
• 对句子级别的任务不是最优的。

因此，Bert这样的双向网络应运而生，但既然是双向的网络，那么就有一个问题，那就是损失函数该如何设置？GPT的损失函数非常直观，预测下一个词正确的概率，而Bert则是见到了所有的词，如何构建损失函数来训练网络呢？这就涉及到一种称之为Masked Language Model的预训练目标函数。另外，为了使模型更适用于句子级别的任务，Bert中还采用了一种称之为Next Sentence Prediction的目标函数，来使得模型能更好的捕捉句子信息。我们在下面会一一讲到。

模型结构

Bert依然是依赖Transformer模型结构，我们知道GPT采用的是Transformer中的Decoder部分的模型结构，当前位置只能attend到之前的位置。而Bert中则没有这样的限制，因此它是用的Transformer的Encoder部分。

而Transformer是由一个一个的block组成的，其主要参数如下：

• L: 多少个block
• H: 隐含状态尺寸，不同block上的隐含状态尺寸一般相等，这个尺寸单指多头注意力层的尺寸，有一个惯例就是在Transformer Block中全连接层的尺寸是多头注意力层的4倍。所以指定了H相当于是把Transformer Block里的两层隐含状态尺寸都指定了。
• A: 多头注意力的头的个数

有了这几个参数后，就可以定义不同配置的模型了，Bert中定义了两个模型，
Bert_Base和Bert_Large。其中：

• Bert_Base: L=12, H=768, A=12, 参数量110M。
• Bert_Large: L=24, H=1024, A=16, 参数量340M。

输入输出

为了让Bert能够处理下游任务，Bert的输入是两个句子，中间用分隔符分开，在开头加一个特殊的用于分类的字符。即Bert的输入是: [CLS] sentence1 [SEP] sentence2。

其中，两个句子对应的词语对应的embedding还要加上位置embedding和标明token属于哪个句子的embedding。如下图所示：

在[CLS]上的输出我们认为是输入句子的编码。
输入最长是512。

Masked Language Model

一般语言模型建模的方式是从左到右或者从右到左，这样的损失函数都很直观，即预测下一个词的概率。

而Bert这种双向的网络，使得下一个词这个概念消失了，没有了目标，如何做训练呢？

答案就是完形填空，在输入中，把一些词语遮挡住，遮挡的方法就是用[Mask]这个特殊词语代替。而在预测的时候，就预测这些被遮挡住的词语。其中遮挡词语占所有词语的15%，且是每次随机Mask。

但这有一个问题：在预训练中会[Mask]这个词语，但是在下游任务中，是没有这个词语的，这会导致预训练和下游任务的不匹配。

不匹配的意思我理解就是在预训练阶段任务中，模型会学到句子中有被遮挡的词语，模型要去学习它，而在下游任务中没有，但是模型会按照预训练的习惯去做，会导致任务的不匹配。

解决的办法就是不让模型意识到有这个任务的存在，具体做法就是在所有Mask的词语中，有80%的词语继续用[Mask]特殊词语，有10%用其他词语随机替换，有10%的概率保持不变。这样，模型就不知道当前句子中有没[Mask]的词语了。

Next Sentence Prediction

在很多下游任务中，需要判断两个句子之间的关系，比如QA问题，需要判断一个句子是不是另一个句子的答案，比如NLI(Natural Language Inference)问题，直接就是两个句子之间的三种关系判断。

因此，为了能更好的捕捉句子之间的关系，在预训练的时候，就做了一个句子级别的损失函数，这个损失函数的目的很简单，就是判断第二个句子是不是第一个句子的下一句。训练时，会随机选择生成训练语料，50%的时下一句，50%的不是。

Bert微调

有了模型，输入输出，目标函数，就可以训练模型了，那么在得到模型之后，如何去微调使之适应下游任务呢？

我们以Question-Answering问题为例来解释，如下图所示：

左图是Bert的预训练，输入是被遮挡的句子；右图是在Question Answer问题上微调。输入是Question和Paragraph，想要得到的是Paragraph上的答案的位置，包括起始位置和结束位置。

所以，先预定义两个embedding分别给起始位置和结束位置。然后，将paragraph在Bert上的每一个输出embedding去和这两个embedding分别做内积然后计算softmax，就得到的损失函数。有了损失函数就可以训练了。

再比如文本分类问题，文本分类和句子之间的关系无关。因而，在微调的时候，可以把Sentence B设置为空，然后把句子输入给bert，拿到[CLS]的输出再加一个全连接层去做分类。

实验结果

GLUE Task

在Glue Task上的微调的结果如下，Glue Task是一系列的任务，包括文本分类，句子关系判断等，这些问题包括：

• MNLI: 判断两个句子的关系，关系包括entailment，contradiction和neutral。
• QQP: 判断Quora上的两个问题是不是同一个语义。
• QNLI: 斯坦福QA数据集，判断下一个句子中有没有上个句子问题的答案。
• SST: 文本二分类
• CoLA: 判断一个英文句子从语言学的角度是否是accepted
• STS-B: 判断两个句子的相似程度，有1到5五个分值
• MRPC: 两个句子是否语义相似
• RTE: 跟MNLI一样，不过语料较少
• WNLI: 跟MNLI一样，语料较少。

在这些任务上的表现：

Bert在当时取得了最好的成绩。

SQuAD Task

SQuAD就是上面微调那一节中描述的在Paragraph中找位置的问题。
在两个版本的SquAD上取得的结果如下图，两个版本的区别在于SQuAD中有的样本没有答案。

消融实验

把一些必备要素去掉或者换掉后的效果。可见，不管是去掉NSP，还是把Transformer替换掉，都会带来效果的降低。

模型大小的影响

自然是大力出奇迹。

思考

勤思考， 多提问是Engineer的良好品德。

提问如下：

• Bert中的Mask有没有更好的策略
• Next Sentence Prediction看起来很不直观，有没有更好的loss？
• 现在的长度限制是512，因为Transformer是N^2复杂度，所以增大长度会出现性能问题，那么问题就是，增大长度后，效果会不会有提升？如何解决性能问题。

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参考

• [1]. Devlin, Jacob, et al. “Bert: Pre-training of deep bidirectional transformers for language understanding.” arXiv preprint arXiv:1810.04805 (2018).