Bert原理详细笔记

1. 前言

bert 的本质是学习单词的词向量表达。那我们先来回顾 word2vec，和 bert 预训练产生词向量的不同吧！

1. word2vec缺点：

• 学习到的是静态词向量，与上下文无关，如 “ I like to eat Apple" 和 ”Apple is a high-tech company in the United States“, 很显然这两个apple的意思不一样，但在Word2vec看来，它们是一样的词向量。
• 对于训练的句子，只利用了句子的单向信息：如：今天 天气 真好，要预测 ”真好“ 概率时，根据语言模型概率公式： p(真好）= p（天气 | 今天，天气），预测 p（天气） = p（天气| 今天）， 就是说预测”天气“时不能利用”真好“这个信息，因为这个词在”天气“后面。

2.bert 完美的解决了这两个缺点， 可以学习动态的基于上下文的词向量；利用句子的双向信息

2. ELMO介绍

为什么要说到ELMO呢？因为它首先尝试解决word2vec的缺点。
总结起来：

即：

1. 深度双向lstm，特点：deep，为什么要做深层？？类似于图像识别一样，网络层越深，越能提取到图片中物体的具体信息。放到文本特征提取上，网络层越深，那么能提取的特征也依次具体化： 词特征 --> 语法特征 --> 语义特征
   
   
2. 保留每一层lstm的隐层状态，包括正向和反向 [ →hi | hi←]
3. 最终某个单词的词向量是 该单词位置上所有隐层状态的加权和。

举个栗子：

ELMO的损失函数：

ELMO的核心就是深层，双向的语言模型。这个模型有些致命的缺点：

• 不完全双向：elmo虽然是双向，但是这个双向不是真正意义上的双向，它是先训练一个前向的RNN，再训练一个后向的RNN，这两个RNN本质上是独立的。对于一个序列，前向遍历一遍获得左边的LSTM隐层输出，后向遍历一遍获得右边的LSTM隐层输出，最后得到的隐层向量直接拼接（前向的hidden state + 后向的hidden state = 总的hidden state，+是concat），并且在最后的Loss function中也是前向和后向的loss function直接相加，并非完全同时的双向计算。
• 自己看见自己：“深层”，“双向” 就容易自己看见自己。以传统RNN 为例，假如输入 A,B,C,D,我们要预测 C，则 经典语言模型公式： P（C）= P（C | A,B），可以看到 C 是用不到D 信息的。但在EMLO中，情况就不一样了，如图：
  
• 从下往上看
• 第一层：词向量层
• 第二层，预测 C 时，前向用到了 A,B信息，后向用到了D信息，所以第二层只有 A,B|D信息，这时 没有出现自己看见自己情况，即C没有参考C的信息
• 第三层，预测 C 时，前向用到了 BCD， A|CD 信息，后向用到了 ABC 的信息，所以综合一下 第三层用到了 ABCD的信息，那么 预测C 时，就会参考到 C 的信息。

3.Bert

现在才开始介绍我们的主角：bert

3.1 bert的结构

这里需要用到transformer的知识，大家可以看transformer介绍
Transformer的网络架构如图所示，Transformer是一个encoder-decoder的结构，由编码器和解码器构成。图中的左侧部分为编码器，由若干个（论文中6个）encoder堆叠而成，
右侧部分为解码器，由若干个（论文中6个）decoder堆叠而成。

Bert只用到了Transformer的编码器部分，它的结构图如下：
其中Trm表示一个Transformer的编码器部分

真实应用中Trm 不止图中的 2 个，通常有两种结构

L表示网络的层数（即Transformer 编码器的数量），A表示Multi-Head Attention中self-Attention的头数，H 是 隐层单元的维度

3.2 masked LM

掩码语言模型的提出就是为了防止：自己看见自己
Masked Language Model（MLM）是指在训练的时候随机从输入语料上mask掉一些单词，然后通过的上下文预测该单词，该任务非常像我们在中学时期经常做的完形填空。这一点是非常不同于RNN语言模型的。比如输入 A， B，C

1. RNN模型
   p(ABC) = P(A)*p(B|A)*p(C|AB)
2. Bert
   假如把B给 mask掉，则 P(ABC) = P（B| AC）

为了使模型更加稳定，作者不单单是随机mask掉 15%的单词，他还增加了一点点小噪声（有点像dropout的思想），具体如下：

随机mask语料中15%的token，对于[Mask]这个符号，由于在测试集中不存在，为了减轻训练和预测之间的不匹配，作者按一定的比例在需要预测的token上动了手脚，如：my dog is hairy，则：在15%的单词当中

• 有80%的概率用“[mask]”标记来替换——my dog is [MASK]
• 有10%的概率用随机采样的一个单词来替换——my dog is apple
• 有10%的概率不做替换——my dog is hairy

3.3 bert句级别任务

假如我们要做一个分类任务

• 利用RNN的话，我们只需要最后一个隐层状态，再它的基础上搭一个线性分类器就行，因为最后一个隐层状态h，就代表了整句话的意思，如图
  
• 而 transformer encoder 不一样，如图：y1, y2, y3,y4只能分别代表 单词 w1,w2,w3,w4在上下文中的意思，而不能代表整句话的意思，因此我们无从搭分类器。
  
• bert 是如何解决这个问题的呢？？， 它在输入句子的前面加了一个 [CLS] 符号，我们可以把这个符号看做是整个输入句子的象征， 那么它对应的输出C就可以代表整句话的意思了，如图：
• 

假如我们要做一个问答系统，也就是输入有两句话，那么bert又做了什么呢？？

–为什么要提出这个预训练任务呢，主要也是很多譬如问答、推理之类的任务，更多的是要学习句子之间的关系，这是语言模型无法做到的，因为语言模型根据token预测token，是在句子内部进行学习的。

bert在训练时会判断这两个输入句子是否是连续的，相关的，也就是它会做一个二分类任务，若两个句子是挨在一起的，那么预测为1，否则为0。每个句子的结尾以 [SEP] 作为分隔符。

那么句子如何选取呢？？训练的时候，输入到模型的第二个句子会以50%的可能从全部文本中随机选取，剩下50%的可能从紧挨着第一个句子的文本中选取

这样看来，模型就有两个损失函数了，一个是做完形填空时产生的，一个是做二分类时产生的，两个损失函数之和就是bert总的损失函数了。源码片段：

3.4 bert输入表示

bert将输入句子转化为词向量，是经过了3 个Embedding 的加和, 即
input_embed = Token_embed + Sentence_embed + Position_embed.
源码是：


maxLen:批训练时，最大句子长度。d_model：词嵌入的维度，n_segments：表示输入多少句话，一般最大取2
用pytorch调用模型的话，我们只需要输入：

1. input_ids：一个形状为[batch_size, sequence_length]的 torch.LongTensor，在词汇表中包含单词的token索引, 注意 在句子首尾分别加了 [cls] 和 [sep] 的 索引
2. segment_ids ：形状[batch_size, sequence_length]的可选 torch.LongTensor，在0, 1中选择token类型索引。类型0对应于句子A，类型1对应于句子B。如 [0,0,0,0,0,1,1,1,1,1]， 0代表第一个句子A， 1代表第二个句子B，默认全为0
3. input_mask：一个可选的 torch.LongTensor，形状为[batch_size, sequence_length]，索引在0, 1中选择。0 是 padding 的位置，1是没有padding的字

3.5 bert常见应用

• 情感分析： 提取 [CLS] 的输出 C，在其上搭分类器，如逻辑回归，SVM等，做fine-tuning
• 特征提取：提取 每个单词的词向量，再运用到其他任务中。
  对于测试集中的一句话如：Help prince Meyuko ?, 我们把它放到已经训练完的Bert上面，那么我们就可以得到这句话每层的输出了, 也就是每层每个单词的上下文表达，图中每一列由黄到红就是每个单词不同层面的上下文表达。
• 
  至于那一层效果最好，我们有这个实验
  
  效果最好的是：最后四层的拼接

3.6 bert的其他应用

MNLI（Multi-Genre Natural Language Inference）：给定一对句子，目标是预测第二句子和第一个句子是相关的、无关的还是矛盾的。
QQP（Quora Question Pairs）：判断两个问句是否是同一个意思。
QNLI （Question Natural Language Inference）：样本是(question,sentence)在一段文本中sentence是否是question的答案。
STS-B（Semantic Textual Similarity Benchmark）：给出一对句子, 使用1~5的评分评价两者在语义上的相似程度。
MRPC （Microsoft Research Paraphrase Corpus）：句子对来源于对同一条新闻的评论. 判断这一对句子在语义上是否相同。
RTE（Recognizing Textual Entailment）：是一个二分类问题, 类似于MNLI, 但是数据量少很多。

SST-2（The Stanford Sentiment Treebank）：单句的二分类问题, 句子的来源于人们对一部电影的评价, 判断这个句子的情感。
CoLA （The Corpus of Linguistic Acceptability）：单句的二分类问题, 判断一个英文句子在语法上是不是可接受的。

SQuAD(Standford Question Answering Dataset)：给定一个问题和一个来自包含答案的Wikipedia段落，任务是预测答案在段落中所在的位置。
CoNLL-2003 NER命名实体识别任务，应该是大家最熟悉的了，预测每个字的标签是什么。

总体来说对于（a）（b）中的任务，我们取得的是最终CLS位置的输出C。对于（c）中的任务主要是预测start和end标记所在的最大值，且是start的id值小于end的id值，其中start是答案所在段落中的起始位置，end是结束位置。对于NER任务，自然是取得每一个单词的输出的表达，后面再接一个CRF。