NLP——ELMO；BERT；Transformers

ELMO

ELMO 简介

• ELMo（Embeddings from Language Models）是一个在2018年由Allen AI研究所开发的新型深度语义词嵌入（word embedding）。ELMo词嵌入是基于上下文的，这意味着对于任何给定的词，它的表示都会根据它出现的上下文而变化。 这是一个重要的进步，因为传统的词嵌入，如Word2Vec或GloVe，为每个词提供一个固定的表示，不考虑词在特定上下文中可能有的不同含义。

• ELMo的嵌入是通过训练一个**双向的语言模型（bi-directional language model）并使用模型的隐藏状态作为词的嵌入来产生的。**这个语言模型是一个双向的长短期记忆网络（Bi-LSTM），它从左到右（正向）和从右到左（反向）阅读文本，然后将两个方向的隐藏状态拼接在一起，得到每个词的嵌入。

ELMO 优点

相较于以往的方法，ELMo具有几个重要的优点：

• 上下文感知：由于ELMo是基于上下文的，它能够捕捉到词义消歧的信息，例如词“play”的不同含义在不同的上下文中。

• 预训练：和其他词嵌入一样，ELMo是预训练的，这意味着它可以被用作各种NLP任务的输入，从而提高模型的性能。

• 深度表示：由于ELMo使用了深度神经网络（在这种情况下是Bi-LSTM），它可以捕捉到词的复杂语义信息。

然而，与此同时，ELMo模型需要大量的计算资源和时间来训练，这是它的主要缺点。但一旦训练完成，可以将训练得到的模型用于各种NLP任务。

利用了多层的 hidden 表示

• 在传统的RNN（循环神经网络）或者LSTM（长短期记忆网络）中，通常会使用一个堆叠的结构，也就是多层的LSTM。在这种结构中，底层LSTM捕捉了一些局部和语法方面的信息，而顶层LSTM捕捉了一些更全局、更抽象的语义信息。这是因为底层的LSTM处理的是原始的输入词，而顶层的LSTM处理的是底层LSTM的输出，因此，顶层LSTM有更高层次的、更全局的视角。
• 然而，在传统的多层LSTM中，我们通常只使用最顶层的隐藏状态，忽略了底层的隐藏状态。这可能会损失一些有用的信息。
• ELMo的一个重要的创新就是使用了所有层次的隐藏状态。 对于每个词，ELMo的表示是所有层次隐藏状态的加权平均。权重是通过训练学习的，不同的任务可能会赋予不同层次的隐藏状态不同的权重。 这意味着，对于不同的任务，我们可能会更关注不同层次的隐藏状态。 例如，命名实体识别可能更关注底层的语法信息，而情感分析可能更关注顶层的语义信息。
• 通过这种方式，ELMo能够捕捉到词的深层次的语义信息，同时也考虑了词的上下文信息。这使得ELMo在很多自然语言处理任务上都取得了非常好的效果。

ELMO 缺点

• 但是由于 ELMO 是基于 RNN 原理的模型，因此受制于 RNN 的几个缺点：
  
  

• 值得注意的是：ELMo模型使用的是双向长短期记忆网络（Bi-LSTM）模型，它在两个方向上分别训练模型——从左到右和从右到左。这两个方向的LSTM是独立的，它们没有共享参数。 然后，ELMo将两个方向的隐藏状态进行拼接或者加权平均来得到词的表示。

• 同时 ELMO 还有以下缺陷：

  • 计算成本高： Bi-LSTM需要在两个方向上 分别进行前向传播和反向传播，这使得它的计算成本比单向LSTM更高。 此外，LSTM模型本身就有很多参数，需要大量的计算资源和时间来训练。

  • 无法并行化： 由于LSTM是一种循环神经网络，它需要**按照时间步骤的顺序进行计算，**这使得它无法进行并行化计算。这也是为什么训练LSTM模型需要大量时间的原因。

  • 可能损失长距离信息： 虽然LSTM设计成可以处理梯度消失问题，从而捕捉到一定程度的长距离依赖，但在实际应用中，如果序列过长，LSTM仍然可能无法捕捉到太长距离的信息。

BERT

• 为了解决 ELMO 模型存在的诸多问题，BERT 应运而生
  
  BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers) 是一个基于Transformer的模型，与ELMo相比，有一些重要的改进和优点：

• 全方位的上下文感知： 虽然ELMo是一个上下文敏感的模型，但是它通过两个单向的LSTM来分别捕获上下文信息。BERT通过使用Transformer的自注意力机制，在每个位置都能捕获双向的上下文信息。 这使得BERT在理解上下文中的词语时更为全面。

  • 在ELMo中，双向上下文信息的获取是通过两个独立的、单向的长短期记忆网络（LSTM）完成的。一个LSTM从左到右读取序列，另一个从右到左读取。每个LSTM只能获取单向的上下文信息，然后将两个方向的信息结合起来得到最后的词表示。这种方式虽然能够捕获到双向的上下文信息，但是因为两个方向的信息是独立处理和结合的，所以被认为是"浅"的双向表示。
  • 相比之下，BERT使用的是基于Transformer的模型，该模型采用自注意力机制（self-attention mechanism）来获取双向上下文信息。在自注意力机制中，每个词的表示都会考虑到整个序列中所有词的信息，而且这个过程是同时进行的，不需要像LSTM那样一步一步地处理。 这样，每个词的表示都是在同时考虑到双向上下文信息的情况下得到的，因此被认为是"深"的双向表示。

• 并行计算： BERT使用的 Transformer 结构允许在计算时进行并行化，相比于ELMo中使用的RNN（Recurrent Neural Network，如LSTM），BERT在训练和预测时都能更有效地利用硬件资源。

• 预训练任务的设计： BERT使用了两种预训练任务，Masked Language Model (MLM) 和 Next Sentence Prediction (NSP)。MLM任务允许模型在预测被遮蔽（masked）的词时考虑到整个上下文，而NSP任务则让模型理解句子间的关系。这两种任务都使BERT在处理下游任务时具有更强的理解能力。

• 更强的性能： 在多种NLP任务上，BERT都比ELMo展现出了更好的性能。比如在阅读理解、情感分类、命名实体识别等任务上，BERT都设立了新的性能标准。

虽然BERT在以上方面都优于ELMo，但值得注意的是，BERT模型相比于ELMo更加复杂和参数更多，因此需要更多的计算资源和时间进行训练。不过，和ELMo一样，BERT模型一般也是预训练好后，用于各种下游任务，而不需要在每个特定任务上从头开始训练。

BERT V.S. ELMO

• 从这张图中清晰看出，对 ELMO， $E_1$ 分别输入两个 LSTM，在左边的 LSTM 的第一层 $E_1$ 被隐层编码，然后到第二个时间步 $E_2$ 的信息也被纳入进来，由此 $E_1$ 和 $E_2$ 的信息被模型综合考虑、表示；对于逆向的 LSTM 也是如此
• 然而，虽然这种方法可以获取双向的上下文信息，但是由于正向和反向的信息是独立处理的，具体来说，我们并没有在同一时间考虑左右两个方向的上下文。也就是说，**正向LSTM在处理序列时，并不知道反向LSTM的输出，反之亦然。**因此，这种双向表示可能没有充分利用双向上下文信息，只是生硬地拼接了双向的上下文的表示使得表示更加丰富了。
• 但是 BERT 不同，BERT 没有时间步的概念，因此，BERT通过使用Transformer的自注意力机制，在每个位置都能同时考虑整个输入序列中的所有词。从图中可以看出，每个词向量的表示都是结合所有的上下文信息。

两种预训练任务

Object1: Masked Language Model

• 在 MLM 中，输入序列的一部分词会被替换为一个特殊的 [MASK] 标记，然后模型的任务是预测这些被遮蔽的词。这使得模型必须理解上下文，才能准确地预测被遮蔽的词。

Object2: Next sentence prediction

• 在 NSP 任务中，模型需要预测两个句子是否是连续的，这使得模型必须理解句子间的关系。

训练细节

如何使用 BERT

BERT 应用——垃圾邮件分类

• 只需要使用 [cls] 位置的信息进行分类即可

Transformer

self-attention

• 具体的计算过程请参考我的另一篇博客：Transformer解读之：Transformer 中的 Attention 机制
  
  

Multi-head Attention

Transformer Block

Position encoding

Transformer模型是一种处理序列数据的模型，它完全依赖于自注意力（Self-Attention）机制。这种机制允许模型为序列中的每个元素生成一个上下文相关的表示，这一表示不仅考虑到该元素本身，而且还考虑到其他元素。

然而，自注意力机制本身是不包含顺序信息的，也就是说，它对输入序列的顺序不敏感。这在自然语言处理等需要考虑元素顺序的任务中是一个问题。

为了解决这个问题，Transformer引入了位置编码（Position Encoding）来加入序列中元素的位置信息。这种编码是将每个位置 $i$ 编码为一个向量，然后将这个向量加到对应位置的元素的表示上。

位置编码的设计需要满足两个条件：一是，不同位置的编码需要不同；二是，它需要能够表示出位置之间的相对关系。