作者：張貴發(fā) 

研究方向：自然語言處理

NLP

NLP：自然語言處理（NLP）是信息時(shí)代最重要的技術(shù)之一。理解復(fù)雜的語言也是人工智能的重要組成部分。而自google在2018年10月底公布BERT在11項(xiàng)nlp任務(wù)中的卓越表后，BERT（Bidirectional Encoder Representation from Transformers)就成為NLP一枝獨(dú)秀，本文將為大家層層剖析bert。

NLP常見的任務(wù)主要有：中文自動(dòng)分詞、句法分析、自動(dòng)摘要、問答系統(tǒng)、文本分類、指代消解、情感分析等。

我們會(huì)從one-hot、word embedding、rnn、seq2seq、transformer一步步逼近bert，這些是我們理解bert的基礎(chǔ)。

Word Embedding

首先我們需要對(duì)文本進(jìn)行編碼，使之成為計(jì)算機(jī)可以讀懂的語言，在編碼時(shí)，我們期望句子之間保持詞語間的相似行，詞的向量表示是進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。
word embedding的一個(gè)基本思路就是，我們把一個(gè)詞映射到語義空間的一個(gè)點(diǎn)，把一個(gè)詞映射到低維的稠密空間，這樣的映射使得語義上比較相似的詞，他在語義空間的距離也比較近，如果兩個(gè)詞的關(guān)系不是很接近，那么在語義空間中向量也會(huì)比較遠(yuǎn)。

如上圖英語和西班牙語映射到語義空間，語義相同的數(shù)字他們?cè)谡Z義空間分布的位置是相同的

在句子的空間結(jié)構(gòu)上我們期望獲取更底層的之間的關(guān)系比如：

• V_King - V_Queen = V_Man-V_Women

• V_Paris - V_France =   V_Berlin -V_German

king和queen之間的關(guān)系相比與man與woman的關(guān)系大體應(yīng)該相同的，那么他們通過矩陣運(yùn)算，維持住這種關(guān)系
Paris 和France之間的關(guān)系相比與Berlin與German的關(guān)系大體應(yīng)該相同的，那么他們通過矩陣運(yùn)算，維持住這種關(guān)系

簡單回顧一下word embedding,對(duì)于nlp來說，我們輸入的是一個(gè)個(gè)離散的符號(hào)，對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，它處理的都是向量或者矩陣。所以第一步，我們需要把一個(gè)詞編碼成向量。最簡單的就是one-hot的表示方法。如下圖所示：

1. 高維的表示  

2. 稀疏性

3. 正交性（任意兩個(gè)詞的距離都是1，除了自己和自己，這樣就帶來一個(gè)問題，貓和狗距離是1，貓和石頭距離也是1，但我們理解上貓和狗距離應(yīng)該更近一些）

兩個(gè)詞語義上無法正確表示，我們更希望低維的相似的比較接近，語義相近的詞距離比較近，語義不想近的詞，距離也比較遠(yuǎn)。
解決的辦法就是word enbedding，是一種維位稠密的表示。

Neural Network Language Model（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)語言模型）

我們都知道word2vec,glove。其實(shí)更早之前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)語言模型里出現(xiàn)。已經(jīng)有比較早的一個(gè)詞向量了。語言模型是nlp的一個(gè)基本任務(wù)，是給定一個(gè)句子w，包括k個(gè)詞，我們需要計(jì)算這個(gè)句子的概率。使用分解成條件概率乘積的形式。變成條件概率的計(jì)算。

傳統(tǒng)的方法，統(tǒng)計(jì)的n-gram的，詞頻統(tǒng)計(jì)的形式，出現(xiàn)的多，概率就高，出現(xiàn)少概率就低，。

• 不能常時(shí)依賴上下文，如：他出生在法國，他可以講一口流利的（__），我們希望法語的概率比英語、漢語的概率要高。n-gram記住只能前面有限幾個(gè)詞，若參數(shù)比較多，它根本學(xué)不到這復(fù)雜關(guān)系，這是傳統(tǒng)語言模型比較大的一個(gè)問題。這個(gè)可以通過后面的rnn、lstm解決，我們這里先不討論。

• 第二個(gè)問題就是泛化能力的問題，泛化能力，或者說不能共享上下文的信息，我要去（__）玩，   北京、上海應(yīng)該是一樣的，因?yàn)槎际侵袊囊粋€(gè)城市，概率應(yīng)該相等或相近的，但是因?yàn)轭A(yù)料中北京很多，所以出現(xiàn)上海的概率很低。那神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)語言模型就可以解決這樣的問題。

word2vec和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)語言模型不同，直接來學(xué)習(xí)這個(gè)詞向量，使用的基本假設(shè)是分布式假設(shè)，如果兩個(gè)詞的上下文時(shí)相似的，那么他們語義也是相似的。

word2vec分為cbow（根據(jù)context預(yù)測(cè)中心詞）和skip-gram（根據(jù)中心詞預(yù)測(cè)context）兩種。

我們可以通過word2vec或者 glove這種模型在大量的未標(biāo)注的語料上學(xué)習(xí)，我們可以學(xué)習(xí)到比較好的向量表示，可以學(xué)習(xí)到詞語之間的一些關(guān)系。比如男性和女性的關(guān)系距離，時(shí)態(tài)的關(guān)系，學(xué)到這種關(guān)系之后我們就可以把它作為特征用于后續(xù)的任務(wù)，從而提高模型的泛化能力。
但是同時(shí)存在一些問題比如：

• He deposited his money in this bank .

• His soldiers were arrayed along the river bank .
  word embeding 有個(gè)問題就是我們的詞通常有很多語義的，比如bank是銀行還是河岸，具體的意思要取決與上下文，如果我們強(qiáng)行用一個(gè)向量來表示語義的話，只能把這兩種語義都編碼在這個(gè)向量里，但實(shí)際一個(gè)句子中，一個(gè)詞只有一個(gè)語義，那么這種編碼是有問題的。

RNN/LSTM/GRU

那么這種上下文的語義可以通過RNN/LSTM/GRU來解決，RNN與普通深度學(xué)習(xí)不同的是，RNN是一種序列的模型，會(huì)有一定的記憶單元，能夠記住之前的歷史信息，從而可以建模這種上下文相關(guān)的一些語義。RNN中的記憶單元可以記住當(dāng)前詞之前的信息。

seq2seq

對(duì)于翻譯，我們不可能要求英語第一個(gè)詞一定對(duì)應(yīng)法語的第一個(gè)詞，不能要求長度一樣，對(duì)于這樣一個(gè)rnn不能解決這一問題。我們使用兩個(gè)rnn拼接成seq2seq來解決。

1. 我們可以用兩段RNN組成seq2seq模型

2. 從而可以來做翻譯，摘要、問答和對(duì)話系統(tǒng)。

比如經(jīng)典的翻譯例子法語到英語的翻譯，由encoder編碼到語義空間和decoder根據(jù)語義空間解碼翻譯成一個(gè)個(gè)的英語句子。

加上attention機(jī)制，我們就取得了很大的成績，但是仍然存在一個(gè)問題，
順序依賴，如下圖：t依賴t-1,t-1依賴t-2，串行的，很難并行的計(jì)算，持續(xù)的依賴的關(guān)系，通常很慢，無法并行：

• The animal didn’t cross the street because it was too tired.

• The animal didn’t cross the street because it was too narrow.
  存在單向信息流的問題，只看前文，我們很難猜測(cè)it指代的具體內(nèi)容，編碼的時(shí)候我們要看整個(gè)句子的上下文，只看前面或者只看后面是不行的。
  RNN的兩個(gè)問題：

• 1、順序依賴，t依賴t-1時(shí)刻。

• 2、單向信息流（如例子中指代信息，不能確定）

• 3、需要一些比較多的監(jiān)督數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)獲取成本很高的任務(wù)，就比較困難，在實(shí)際中很難學(xué)到復(fù)雜的上下文關(guān)系

Contextual Word Embedding

要解決RNN的問題，就引入了contextual word embedding。

• contextual word embedding:無監(jiān)督的上下文的表示，這種無監(jiān)督的學(xué)習(xí)是考慮上下文的，比如ELMo、OpenAI GPT、BERT都是上下文相關(guān)的詞的表示方法。

attention是需要兩個(gè)句子的，我們很多時(shí)候只有一個(gè)句子，這就需要self-attention。提取信息的時(shí)候、編碼時(shí)self-atenntion是自驅(qū)動(dòng)的，self-attention關(guān)注的詞的前后整個(gè)上下文。

transformer:

本質(zhì)也是一個(gè)encoder與decoder的過程，最起初時(shí)6個(gè)encoder與6個(gè)decoder堆疊起來，如果是LSTM的話，通常很難訓(xùn)練的很深，不能很好的并行

如下圖例子給定兩個(gè)詞 thinking和machies,首先通過word embedding把它變成向量，通過self-attention,把它變成一個(gè)向量，這里的sefl-attention時(shí)考慮上下文的。然后再接全連接層，計(jì)算z₁的時(shí)候我要依賴x₁ 、x₂ 、x₃整個(gè)序列的，才能算z₁，z₂也一樣，我算r₁的時(shí)候時(shí)不需要z₂的，只要有z₁我就可以算r₁.只要有z₂就能算r₂,這個(gè)是比較大的一個(gè)區(qū)別，這樣就可以并行計(jì)算。

我們來看看self-attention具體是怎么計(jì)算的

得到向量之后就可以進(jìn)行編碼了，考慮上下文，如上文提到的bank同時(shí)有多個(gè)語義，編碼這個(gè)詞的時(shí)候要考慮到其他的詞，具體的計(jì)算是q₁ k₁做內(nèi)積 q₂ k₂ 做內(nèi)積得到score,內(nèi)積越大，表示約相似，softmax進(jìn)行變成概率。花0.88的概率注意Thinking，0.12注意macheins這個(gè)詞

q表示為了編碼自己去查詢其他的詞，k表示被查詢，v表示這個(gè)詞的真正語義，經(jīng)過變換就變成真正的包含上下文的信息，普通attention可以理解為self-attention的一個(gè)特例，
普通attention的對(duì)比：

實(shí)際中是多個(gè)head, 即多個(gè)attention(多組qkv)，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)出來的。不同attention關(guān)注不同的信息，指代消解  上下位關(guān)系，多個(gè)head,原始論文中有8個(gè)，每個(gè)attention得到一個(gè)三維的矩陣

將8個(gè)3維的拼成24維，信息太多 經(jīng)過24 *4進(jìn)行壓縮成4維。

• 北京 到 上海 的機(jī)票

• 上海 到 北京 的機(jī)票

self-attention是不考慮位置關(guān)系的，兩個(gè)句子中北京，初始映射是一樣的，由于上下文一樣，qkv也是一樣的，最終得到的向量也是一樣的。這樣一個(gè)句子中調(diào)換位置，其實(shí)attention的向量是一樣的。實(shí)際是不一樣的，一個(gè)是出發(fā)城市，一個(gè)是到達(dá)城市。

• 北京到上海的機(jī)票 vs 你好，我要北京到上海的機(jī)票

tranformer原始論文使用相對(duì)位置編碼，后面的bert open gpt使用的是簡單絕對(duì)位置編碼：

transformer 解決的問題：
可以并行計(jì)算，訓(xùn)練的很深，到后來的open gpt可以到12層  bert的16、24層
單向信息流的問題：至少在encoder的時(shí)候考慮前面和后面的信息，所以可以取得很好的效果，
transformer解決了普通word embedding 沒有上下文的問題，但是解決這個(gè)問題，需要大量的標(biāo)注信息樣本。

如何解決transformer的問題，就引入了elmo
elmo:無監(jiān)督的考慮上下文的學(xué)習(xí)。

elmo：將上下文當(dāng)作特征，但是無監(jiān)督的語料和我們真實(shí)的語料還是有區(qū)別的，不一定的符合我們特定的任務(wù)，是一種雙向的特征提取。

openai gpt就做了一個(gè)改進(jìn)，也是通過transformer學(xué)習(xí)出來一個(gè)語言模型，不是固定的，通過任務(wù) finetuning,用transfomer代替elmo的lstm。
openai gpt其實(shí)就是缺少了encoder的transformer。當(dāng)然也沒了encoder與decoder之間的attention。

openAI gpt雖然可以進(jìn)行fine-tuning,但是有些特殊任務(wù)與pretraining輸入有出入，單個(gè)句子與兩個(gè)句子不一致的情況，很難解決，還有就是decoder只能看到前面的信息。

bert

bert從這幾方面做了改進(jìn)：

• Masked LM

• NSP Multi-task Learning

• Encoder again

bert為什么更好呢？

• 單向信息流的問題 ,只能看前面，不能看后面，其實(shí)預(yù)料里有后面的信息，只是訓(xùn)練語言模型任務(wù)特殊要求只能看后面的信息，這是最大的一個(gè)問題

• 其次是pretrain 和finetuning 幾個(gè)句子不匹配
  

  

bert的輸入是兩個(gè)句子，分割符sep，cls表示開始，對(duì)輸入的兩個(gè)句子，使用位置編碼，  segment embeding 根據(jù)這個(gè)可以知道 該詞屬于哪個(gè)句子，學(xué)習(xí)會(huì)更加簡單?？梢院芮宄赖谝痪渥有枰幋a什么信息，第二個(gè)句子可以編碼什么信息。

-50%概率抽連續(xù)句子  正樣本1

• 50%概率抽隨機(jī)句子  負(fù)樣本 0

這樣學(xué)習(xí)到兩個(gè)句子的關(guān)系,可以預(yù)測(cè)句子關(guān)系，在一些問答場(chǎng)景下很重要。

finetuning:
單個(gè)句子的任務(wù)，我們拿第一個(gè)cls向量，上面接一些全連接層,做一個(gè)分類，標(biāo)注的數(shù)據(jù) fine-tuningbert參數(shù)也包括全連接的一個(gè)參數(shù)，為什么選擇第一個(gè)？
bert任務(wù)還是預(yù)測(cè)這個(gè)詞，預(yù)測(cè)的時(shí)候會(huì)參考其他的詞，如eat本身還是吃的語義，直接根據(jù)eat去分類，顯然是不可以的，cls沒有太多其他詞的語義，所以它的語義完全來自其他的語義 來自整個(gè)句子，編碼了整個(gè)句子的語義，用它做可以，當(dāng)然也可以得出所有結(jié)果進(jìn)行拼接后，再來進(jìn)行預(yù)測(cè)。
注意：

• 使用中文模型，不要使用多語言模型

• max_seq_length 可以小一點(diǎn)，提高效率

• 內(nèi)存不夠，需要調(diào)整 train_batch_size

• 有足夠多的領(lǐng)域數(shù)據(jù)，可以嘗試 Pretraining

bert的實(shí)際應(yīng)用比較簡單，不過多贅述內(nèi)容，推薦簡單的demo樣例：
https://www.jianshu.com/p/3d0bb34c488a