BERT - 论文解读

BERT:【 Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for
Language Understanding】

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论文地址：https://arxiv.org/pdf/1810.04805.pdf

论文标题：

• Bert - Bidirectional Encoder Representations from Transformers
• 一种从Transformers模型得来的双向编码表征模型。

GitHub地址：https://github.com/google-research/bert

机构：谷歌

0、摘要：

• 我们介绍了一种新的语言表示模型，称为BERT，它来自Transformer的双向编码表示。与最近的语言表征模型（Peters等人，2018a；Radford等人，2018）不同，BERT的设计目的是通过对标记的文本上进行预训练，调节各个层的参数，学习上下文表示。因此只需要增加一个输出层进行微调，就能在多个任务上达到 SOTA 水平。

• 预训练的BERT模型可以通过fine-tuned 在广泛的任务中创造新的最佳记录，比如问答任务，语言推理任务等，而不需要对BERT本身架构做实质性的修改。

1、介绍：

○ 将预训练语言模型应用在下游任务中，一般有两种策略：

• （1）feature-based： 例子是 ELMo 。
• （2）fine-tuning： 例子是 GPT。

作者认为影响当前预训练语言模型的瓶颈是——“模型是单向的”。如 GPT 选择从左到右的架构，这使得每个 token 只能注意到它前面的 token，这对 sentence 级的任务影响还是次要的，但对于 token 级的任务来说影响就很巨大。例如问答任务，从两个方向结合上下文是至关重要的。

BERT 通过使用受完形填空任务启发的 Mask Language Model （MLM）缓解了先前模型的单向性约束问题。MLM 随机 mask 掉一些输入文本中的 token，然后根据剩下的上下文预测 masked 的 token。除了 Mask Language Model，作者还提出了 Next Sequence Predict 任务，来联合训练文本对表示。

论文中BERT的改进如下：

• （1）证明了双向预训练对于语言表示模型的重要性。
• （2）证明了预训练表示减少了为特定任务精心设计网络架构的必要性。BERT是第一个基于微调的表示模型，实现了在一套进行语句级和标记级任务中的最出色的表现，优于许多特定任务的体系结构。
• （3）BERT 在11个 NLP 任务上达到了 SOTA 水平。代码位置：https://github.com/google-research/bert

2 相关工作：

预训练前的一般语言表征有着悠久历史，本节我们简要回顾一下最广泛使用的方法。

2.1 基于特征的无监督方法：
几十年来，学习广泛适用的词汇表征一直是一个活跃的研究领域，包括非神经系统、神经系统方法。预训练的词嵌入是现代NLP系统的一个组成部分，与从头学习的嵌入相比，它提供了显著的改进（Turian等人，2010）。为了预先训练单词嵌入向量，已经使用了从左到右的语言建模目标（Mnih和Hinton，2009），以及在左右上下文中区分正确单词和错误单词的目标（Mikolov等人，2013）。

这些方法已被推广到更粗糙的粒度，例如句子嵌入（Kiros等人，2015；Logeswaran和Lee，2018）或段落嵌入（Le和Mikolov，2014）。为了训练句子表征，之前的工作已经使用了目标对候选下一个句子进行排序（Jernite等人，2017；Logeswaran和Lee，2018），根据前一个句子的表征从左到右生成下一个句子单词（Kiros等人，2015），或去噪自动编码器衍生的目标（Hill等人，2016）。

ELMo及其前身（Peters等人，20172018a）从不同的维度概括了传统的单词嵌入研究。它们通过从左到右和从右到左的语言模型中提取上下文敏感的特征。每个标记的上下文表示是从左到右和从右到左表示的串联。在将上下文单词嵌入与现有任务特定架构相结合时，ELMo推进了几个主要NLP基准（Peters等人，2018a）的最新技术，包括问答（Rajpurkar等人，2016年）、情感分析（Socher等人，2013年）和命名实体识别（Tjong Kim-Sang和De Meulder，2003年）。Melamud等人（2016年）提出通过一项任务来学习语境表征，即使用LSTM从左右语境中预测单个单词。与ELMo类似，他们的模型是基于特征的，而不是深度双向的。Fedus等人（2018）表明，完形填空任务可以用来提高文本生成模型的稳健性。

2.2 无监督微调方法：

与基于特征feature-based的方法一样，第一种方法只在未标记文本中预先训练单词嵌入参数的情况下才朝这个方向工作。最近，产生上下文标记表示的句子或文档编码器已经从未标记的文本和文本中预训练出来针对受监督的下游任务进行了微调fine-tuned。
这些方法的优点是，很少有参数需要从头学习。至少部分由于这一优势，OpenAI GPT在GLUE基准测试的许多句子级任务上取得了之前的最新成果。从左到右的语言建模和自动编码器目标已用于此类模型的预训练。

• BERT 模型有两个步骤：预训练、微调：
  ○ 预训练时，模型在不同的预训练任务中基于未标记数据进行训练；
  ○ 微调时，先使用预训练模型的参数初始化 BERT 模型，再在特定任务的标注数据上对参数进行微调。以问答为例，如下图所示：

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注解：BERT的整体预训练和微调程序。除了输出层之外，在预训练和微调中使用相同的体系结构。相同的预训练模型参数用于初始化不同下游任务的模型。在微调过程中，所有参数都会微调。

• [CLS] 是每个输入示例开头的特殊标记；
• [SEP] 是一个特殊的标记用于区分 question/answer。

2.3 基于监督数据的迁移学习：
也有研究表明，在大数据集的监督任务中，如自然语言推理和机器翻译可以有效地进行转换。计算机视觉研究也证明了从大型预训练模型中进行迁移学习的重要性，其中一个有效的方法是对使用ImageNet预训练模型进行微调。

3 BERT:

本节将介绍BERT及其详细实现。在我们的框架中有两个步骤：预训练和微调。

• 在预训练期间，模型在不同的预训练任务中基于未标记的数据进行训练。
• 对于微调，首先，使用预先训练的参数初始化BERT模型，然后，使用来自下游任务的标记数据微调所有参数。每个下游任务都有单独的微调模型，即使它们是用相同的预训练参数初始化的。这个图1中的问答示例将作为本节的运行示例。

BERT的一个显著特点是其跨不同任务的统一体系结构。预训练的体系结构和最终的下游体系结构之间的差异最小。

• 模型架构：

BERT 的模型架构是一种多层的双向 transformer encoder，BERT 在实现上与 transformer encoder 几乎完全相同。

定义：transformer block 的个数为 L ; hidden 大小为 H; self-attentions head 的个数为 A. 作者主要展示了两种规模的 BERT 模型：

在这项工作中，我们将层数（即Transformer blocks）表示为L，隐藏大小表示为H，自我注意头的数量表示为A。我们主要报告两种型号的结果：

• BERT - base ： L=12, H=768, A=12, Total Parameters=110M。
• BERT - large： L=24, H=1024,A=16, Total Parameters=340M。

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为了进行比较，选择BERT-base与OpenAI GPT具有相同的模型大小。然而，关键的是，BERT Transformer使用双向自注意力机制self-attention，而GPT Transformer使用受限自注意力机制constrained self-attention，其中每个标记只能关注其左侧的上下文。

输入/输出表示：

为了使 BERT 能处理大量不同的下游任务，作者将模型的输入设计成可以输入单个句子或句子对，这两种输入被建模成同一个 token 序列。作者使用了有 30000 个 token 的 vocabulary 词嵌入。

• 输入序列：第一个 token 都是一个特殊标记 [CLS]，该标记的最终隐藏状态用来聚合句子的表征，从而实现分类任务。对于 sentence 对，作者使用特殊标记 [SEP] 来区分不同的句子。

• 输出序列：用 E 来表示输入的 embedding，[CLS] 的最终隐藏状态为 C∈R H ，输入序列的第 i 个 token 的隐藏向量为 T i ∈ R H T 。对于 Ti ，都是通过 token embedding、segment embedding、position embedding 加和构造出来的。如下图所示：

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3.1 Pre-training BERT:
我们不使用传统的从左到右或从右到左的语言模型来预训练BERT。相反，我们使用本节所述的两个无监督任务对BERT进行预训练。这一步如图1的左半部分所示。

Task #1: Masked LM
标准的语言模型只能实现从左到右或从右到左的训练，不能实现真正的双向训练，这是因为双向的条件是每个单词能直接“看到自己”，并且模型可以在多层上下文中轻松的预测出目标词。

为了能够实现双向的深度预训练，作者选择随机 mask 掉一些比例的 token，然后预测这些被 masked 的 token，在这种设置下，被 masked 的 token 的隐向量表示被输出到词汇表的 softmax 上，这就与标准语言模型设置相同。作者将这个过程称为“Masked LM”，也被称为“完形填空”。

○ Masked LM 预训练任务的缺点：
在于由于 [MASK] 标记不会出现在微调阶段，这就造成了预训练和微调阶段的不一致。为了解决该问题，作者提出了一种折中的方案：

○ BERT 的 mask策略：

• 随机选择 15% 的 token；
• 这些15%要被 masked 的 token 并不会真的全替换成 [MASK]，而是从这些 token 中：
  （1）随机选择 80% 替换成 [MASK] ；
  （2）随机选择 10% 替换成随机 token；
  （3）随机选择 10% 不改变原 token。
  然后 T i 使用交叉熵损失来预测原始的 token。

Task #2: Next Sentence Prediction (NSP)
很多下游任务都是基于对两句话之间的关系的理解，语言模型不能直接捕获这种信息。为了训练模型理解这种句间关系，作者设计了 next sentence prediction 的二分类任务。具体来说，就是选择两个句子作为一个训练样本，有 50% 的概率是下一句关系，有 50% 的概率是随机选择的句子对，预测将 [CLS] 的最终隐状态 C 输入 sigmoid 实现。

○ Pre-training data：
作者选用了BooksCorpus (800M words) 和 English Wikipedia (2,500M words) 作为预训练的语料库，作者只选取了 Wikipedia 中的文本段落，忽略了表格、标题等。为了获取长的连续文本序列，作者选用了 BIllion Word Benchmark 这样的文档级语料库，而非打乱的句子级语料库。

3.2 Fine-tuning BERT：
因为 transformer 中的 self-attention 机制适用于很多下游任务，所以可以直接对模型进行微调。对于涉及文本对的任务，一般的做法是独立 encode 文本对，然后再应用双向的 cross attention 进行交互。Bert 使用 self-attention 机制统一了这两个阶段，该机制直接能够实现两个串联句子的交叉编码。

对于不同的任务，只需要简单地将特定于该任务的输入输出插入到 Bert 中，然后进行 end2end 的fine-tuning。

• 对于输入，预训练中的 sentence A 和 sentence B 能够替换成：
  （1）同义关系中的句子对；
  （2）蕴含关系中的“假设-前提对”；
  （3）问答中的“段落-问题对”；
  （4）文本分类或序列标注中的“文本-null”。

• 对于输出，对于 token-level 的任务，如序列标注、问答，将 Bert 输出的 token 编码输入到输出层；对于 sentence-level 的任务，如句子的蕴含关系、情感分析等，将 [CLS] 作为输入序列的聚合编码，输入到输出层。

与预训练相比，微调相对便宜。从完全相同的预训练模型开始，本文中的所有结果最多可以在单个云TPU上复制1小时，或在GPU上复制几个小时。

4 实验：

在本节中，我们将介绍11个NLP任务的BERT微调结果。
4.1 GLUE：
GLUE (General Language Understanding Evaluation) 是多个 NLP 任务的集合。作者设置 batch size 为 32；训练 3 个 epochs；在验证集上从（5e-5, 4e-5, 3e-5, 2e-5）中选择最优的学习率。结果如下：

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结果见表1。BERT-base和BERT-large在所有任务上都比所有系统表现出色，与现有技术相比，平均准确率分别提高了4.5%和7.0%。请注意，除了注意掩蔽，BERT-base和OpenAI GPT在模型架构方面几乎相同。

对于最大和最广泛报道的GLUE任务MNLI，BERT获得了4.6%的绝对准确率提高。在官方的GLUE排行榜10中，BERT-lagle获得80.5分，而OpenAI GPT在撰写本文之日获得72.8分。我们发现BERT-large在所有任务中都显著优于BERT-base，尤其是那些训练数据很少的任务。

4.2 SQuAD v1.1:
斯坦福问答数据集（SQuAD v1.1）收集了10万对众包问答对。给出一个问题和一段维基百科中包含答案的文章，任务是预测文章中的答案文本。

如图1所示，在问答任务中，我们将输入的问题和段落表示为单个压缩序列，问题使用A嵌入，段落使用B嵌入。在微调过程，我们只引入一个起始向量S和一个端向量E。单词i作为答案范围开始的概率计算为Ti和S之间的点积，然后是段落中所有单词的softmax：

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答案范围结束时使用类似公式。候选人从位置 i 到位置 j 的得分定义为：S·Ti + E·Tj ,最大得分跨度为 j≥ i 被用作预测。训练目标是正确起始位置和结束位置的对数概率之和。我们微调了3个阶段，学习率为5e-5，批量大小为32。

表2显示了顶级排行榜条目以及顶级发布系统的结果。SQuAD排行榜的前几名没有最新的公共系统描述，并且允许在训练系统时使用任何公共数据。因此，在我们的系统中使用适度的数据扩充，首先在TriviaQA上进行微调，然后再对团队进行微调。

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我们表现最好的系统在ensembling方面的表现优于排名第一的系统，在ensembling方面的表现优于排名第一的系统+1.5 F1，在单一系统方面的表现优于排名第一的系统+1.3 F1得分。事实上，我们的单BERT模型在F1成绩方面优于顶级合奏系统。如果没有TriviaQA微调数据，我们只会损失0.1-0.4 F1，仍然远远超过所有现有系统。

其他实验：略

5 消融研究：

在本节中，我们对BERT的许多方面进行了消融实验，以便更好地了解它们的相对重要性。其他消融研究见附录C。

5.1 预训练任务的效果：

○ 进行了如下消融测试：

• “No NSP” ：不进行 nsp 任务，只进行 Masked LM task；
• “LTR & No NSP” ：不进行 nsp 任务，且使用标准语言模型采用的 Left-to-Right 训练方法。

○ 结果如下：

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• 如果采用像 ELMo 那样训练 LTR 和 RTL 模型，再对结果进行拼接，有以下缺点：

• （1）相对于单个双向模型来说，表征长度翻倍，代价相对提高.

• （2）这种拼接不直观，因为对于 QA 任务来说，RTL 任务做的事实际上是 “根据答案推导问题” 这是不靠谱的。

• （3）与深度双向模型相比，这种在上下文上的双向交互的能力较弱，因为双向模型在每层都能进行双向的上下文交互。

5.2 模型大小的影响：

○ 结果如下：

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作者证明了：如果模型经过充分的预训练，即使模型尺寸扩展到很大，也能极大改进训练数据规模较小的下游任务。

5.3 将 Bert 应用于 Feature-based 的方法：

○ feature-based 的方法是从预训练模型中提取固定的特征，不对具体任务进行微调。
○ 这样的方法也有一定的优点：

• （1） 并非所有任务都能用 transformer 架构简单表示，因此这些任务都需要添加特定的架构；
• （2） feature-based 的方法还有一定的计算成本优势。

作者进行了如下实验：在 CoNLL-2003 数据集上完成 NER 任务，不使用 CRF 输出，而是从一到多个层中提取出激活值，输入到 2 层 768 维的 BiLSTM 中，再直接分类。结果如下：

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结果说明：无论是否进行微调，Bert 模型都是有效的。

6 总结：

个人认为 Bert 的意义在于：

• 成功实践了 pre-training + fine-tuning 的深度学习范式；
• 发掘了在 NLP 中“深度双向架构”在预训练任务中的重要意义。

由于语言模型的迁移学习，最近的经验改进表明，丰富的、无监督的预训练是许多语言理解系统的一个组成部分。特别是，这些结果使得即使是低资源任务也能从深层单向体系结构中受益。我们的主要贡献是将这些发现进一步推广到深层双向体系结构中，使相同的预训练模型能够成功地处理广泛的NLP任务。