BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers)

10月11日，Google AI Language 发布了论文

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

提出的 BERT 模型在 11 个 NLP 任务上的表现刷新了记录，包括问答 Question Answering (SQuAD v1.1)，推理 Natural Language Inference (MNLI) 等：

GLUE ：General Language Understanding Evaluation

MNLI ：Multi-Genre Natural Language Inference

SQuAD v1.1 ：The Standford Question Answering Dataset

QQP ： Quora Question Pairs

QNLI ： Question Natural Language Inference

SST-2 ：The Stanford Sentiment Treebank

CoLA ：The Corpus of Linguistic Acceptability

STS-B ：The Semantic Textual Similarity Benchmark

MRPC ：Microsoft Research Paraphrase Corpus

RTE ：Recognizing Textual Entailment

WNLI ：Winograd NLI

SWAG ：The Situations With Adversarial Generations

让我们先来看一下 BERT 在 Stanford Question Answering Dataset (SQuAD) 上面的排行榜吧：
https://rajpurkar.github.io/SQuAD-explorer/

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BERT 可以用来干什么？

BERT 可以用于问答系统，情感分析，垃圾邮件过滤，命名实体识别，文档聚类等任务中，作为这些任务的基础设施即语言模型，

BERT 的代码也已经开源：
https://github.com/google-research/bert
我们可以对其进行微调，将它应用于我们的目标任务中，BERT 的微调训练也是快而且简单的。

例如在 NER 问题上，BERT 语言模型已经经过 100 多种语言的预训练，这个是 top 100 语言的列表：
https://github.com/google-research/bert/blob/master/multilingual.md

只要在这 100 种语言中，如果有 NER 数据，就可以很快地训练 NER。

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BERT 原理简述

BERT 的创新点在于它将双向 Transformer 用于语言模型，
之前的模型是从左向右输入一个文本序列，或者将 left-to-right 和 right-to-left 的训练结合起来。
实验的结果表明，双向训练的语言模型对语境的理解会比单向的语言模型更深刻，
论文中介绍了一种新技术叫做 Masked LM（MLM），在这个技术出现之前是无法进行双向语言模型训练的。

BERT 利用了 Transformer 的 encoder 部分。
Transformer 是一种注意力机制，可以学习文本中单词之间的上下文关系的。
Transformer 的原型包括两个独立的机制，一个 encoder 负责接收文本作为输入，一个 decoder 负责预测任务的结果。
BERT 的目标是生成语言模型，所以只需要 encoder 机制。

Transformer 的 encoder 是一次性读取整个文本序列，而不是从左到右或从右到左地按顺序读取，
这个特征使得模型能够基于单词的两侧学习，相当于是一个双向的功能。

下图是 Transformer 的 encoder 部分，输入是一个 token 序列，先对其进行 embedding 称为向量，然后输入给神经网络，输出是大小为 H 的向量序列，每个向量对应着具有相同索引的 token。

图片 by Rani Horev

当我们在训练语言模型时，有一个挑战就是要定义一个预测目标，很多模型在一个序列中预测下一个单词，
“The child came home from ___”
双向的方法在这样的任务中是有限制的，为了克服这个问题，BERT 使用两个策略:

1. Masked LM (MLM)

在将单词序列输入给 BERT 之前，每个序列中有 15％ 的单词被 [MASK] token 替换。 然后模型尝试基于序列中其他未被 mask 的单词的上下文来预测被掩盖的原单词。

这样就需要：

1. 在 encoder 的输出上添加一个分类层
2. 用嵌入矩阵乘以输出向量，将其转换为词汇的维度
3. 用 softmax 计算词汇表中每个单词的概率

BERT 的损失函数只考虑了 mask 的预测值，忽略了没有掩蔽的字的预测。这样的话，模型要比单向模型收敛得慢，不过结果的情境意识增加了。

图片 by Rani Horev

2. Next Sentence Prediction (NSP)

在 BERT 的训练过程中，模型接收成对的句子作为输入，并且预测其中第二个句子是否在原始文档中也是后续句子。
在训练期间，50％ 的输入对在原始文档中是前后关系，另外 50％ 中是从语料库中随机组成的，并且是与第一句断开的。

为了帮助模型区分开训练中的两个句子，输入在进入模型之前要按以下方式进行处理：

1. 在第一个句子的开头插入 [CLS] 标记，在每个句子的末尾插入 [SEP] 标记。
2. 将表示句子 A 或句子 B 的一个句子 embedding 添加到每个 token 上。
3. 给每个 token 添加一个位置 embedding，来表示它在序列中的位置。

为了预测第二个句子是否是第一个句子的后续句子，用下面几个步骤来预测：

1. 整个输入序列输入给 Transformer 模型
2. 用一个简单的分类层将 [CLS] 标记的输出变换为 2×1 形状的向量
3. 用 softmax 计算 IsNextSequence 的概率

在训练 BERT 模型时，Masked LM 和 Next Sentence Prediction 是一起训练的，目标就是要最小化两种策略的组合损失函数。

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如何使用 BERT?

BERT 可以用于各种NLP任务，只需在核心模型中添加一个层，例如：

1. 在分类任务中，例如情感分析等，只需要在 Transformer 的输出之上加一个分类层
2. 在问答任务（例如SQUAD v1.1）中，问答系统需要接收有关文本序列的 question，并且需要在序列中标记 answer。 可以使用 BERT 学习两个标记 answer 开始和结尾的向量来训练Q＆A模型。
3. 在命名实体识别（NER）中，系统需要接收文本序列，标记文本中的各种类型的实体（人员，组织，日期等）。 可以用 BERT 将每个 token 的输出向量送到预测 NER 标签的分类层。

在 fine-tuning 中，大多数超参数可以保持与 BERT 相同，在论文中还给出了需要调整的超参数的具体指导（第3.5节）。

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学习资料：
https://arxiv.org/pdf/1810.04805.pdf
https://www.lyrn.ai/2018/11/07/explained-bert-state-of-the-art-language-model-for-nlp/
https://medium.com/syncedreview/best-nlp-model-ever-google-bert-sets-new-standards-in-11-language-tasks-4a2a189bc155

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