深度学习之文本分类模型-基于transformer

1、transformer

transformer就是大名鼎鼎的论文《Attention Is All You Need》[1]，其在一些翻译任务上获得了SOTA的效果。其模型整体结构如下图所示

• encoder和decoder
  其整体结构由encoder和decoder组成，其中encoder由6个相同的block组成，每个block由相同的结构组成，都包括一个muti_head self-attention结构和全连接组成，在这两个子层的输出，都含有一个BN标准化。在decoder阶段，也是由相同的6个block组成，其在encoder结构的基础上又加入了一个子层，目的是为了和encoder的输出做操作。
• muti_head self-attention
  这里多头的意思就是将我们原本的输入词向量在维度上进行切分，假如我们的输入的词向量维度是[512,10,300]，假设我们的头的个数是10个，那么将向量经过转换，转成[512,10,10,30]的向量，我们这里以一个头举例，同时，只取一条数据，即向量为[10,30]那么这里回通过一个全连接操作，得到Q,K,V向量，这里Q,K,V向量的维度均为[10,30]，对于10个头来说，我们会获得10个这样的Q,K,V。接下来进行如下操作

\[ Attention(Q,K,V) = softmax(\frac {QK^{T}}{\sqrt{d_{k}}}) V \]

这里，d_{k}就是30，最终，我们会得到[10,30]的向量，首先，\(QK^{T}\)的乘积是为了得到这10个单词在自己的10个单词的权重，所以维度为[10,10]，除以\(\sqrt{d_{k}}\),论文中说是猜测如果\(d_{k}\)过大，会导致在softmax求梯度的时候梯度过小，论文中还举了个栗子，比如两个以正太分布均值=0，方差为1的向量[10,30],[10,30]，那么再进行向量乘法操作后，得到的就是均值=0，方差为30的向量。

最后得到输出后，将向量进行拼接，再加上一个全连接操作，即可得到一个block的输出。

• Positional Encoding
  论文中介绍了一种假如positional encodeing的方法
  
  其中，pos为单词在句子中的位置，这里pos取1-10，\(d_{model}\)表示向量的维度，以上面的栗子为例，就是300，\(i\)表示第几个位置，这里i取值1-300

2、GPT

GPT是由openAI提出的一种算法思想[2]，其主要思想是通过在大规模的预料上进行模型的训练，然后在特定任务上进行为调。所以其总体思想分为无监督的训练和有监督的微调。

• 无监督的训练
  无监督的训练是指我们首先对模型用大规模的语料进行训练，得到相应的参数。比如我们常用的word embedding，固定在输入向量，然后随着模型一起训练的过程。在本论文中，用的是transformer模型作为预训练模型，其公式如下
  
  在第一个式子中，\(U\)代表输入的单词token，\(W_{e}\)代表单词的词向量，\(W_{p}\)代表位置向量。第二个式子中，我们将向量加和作为输入，经过transformer模型，最终得到输出\(h_{l}\)。最后对于输出层，加上一个全连接然后接一个softmax层，得到每个单词在相应位置的概率，其中，对于一条输入，均含有其对应的上下文单词，我们在softmax最大化这个单词所在节点的概率即可。
  

• 有监督的微调
  当我们用大量的语料进行模型的训练后，就会得到相应模型的参数，接着，我们可以用我们的特定任务在这个模型参数的基础上进行训练，以一些分类任务为例，这里我们将transfomer的输出加上一个softmax层，最终输出的节点个数即为类别标签的个数。在论文中微调损失函数既有分类标签的的损失，也有预训练中损失，所以最终的损失函数是两者的加和。这里分类的损失可以理解，但是预训练中的损失是什么？他的上下文输出的单词是什么？这里我的理解是对于一个句子依旧给他一个窗口，然后类似于word2vec，其中一个损失是预训练的损失，另一个损失是对于标签分类的损失。如下公式所示，\(L_{2}(C)\)是分类的损失，\(L_{1}(C)\)是预训练的损失，在这里，我们可以对预训练的损失设定权值。
  

• 总体架构图
  总体架构图如下所示，这里我们看到，对于不同的任务的微调，有不同的处理方法，对于分类任务，我们直接输入相应的句子，在输出层加上一个softmax，对于一些句子对输入的任务，我们利用一些相应的标记，进行拼接，最终输出也是用softmax进行分类。
  

3、bert

bert是由Google的一些研究者们提出的一种算法[3]，其沿用了GPT的用大规模的语料进行预训练，然后在下游任务进行微调的方式，其中预训练的基础模型依然用的是transformer模型，bert在embedding层用了三种方式的embedding累加，并且提出了双向的语言模型，这比GPT的单向语言模型更能学到语义的信息。并且加入了next sentence prediction方式作为loss的一部分，最终在多个任务上达到了sota的效果。

• input embedding
  输入的embedding有三种方式组成，第一种就是我们的单词embedding，假设输入的句子序列，经过编码是[3,5,7,8,4,5,4],词典的大小为N，向量的维度为d，那么第一个token embedding为[7,d]的向量。第二个是sentence embedding,出现这个的原因是如果输入的句子如果是两个的话，那么我们分别用0表示第一条句子，用1表示第二条句子，比如这两条句子组合之后分别是[0,0,0,0,1,1,1]，sentence embedding的维度是[2,d]，最终，经过embedding，得到[7,d]的矩阵表示，其中前4条向量相同，后3条向量相同。第三个是position embedding，即位置的embedding，假设句子的最大长度为128，那么会生成一个[128,d]的矩阵，原始数据的位置表示为[0,1,2,3,0,1,2],这样我们得到各自位置上的句子表示，最终也为[7,d]。最后，我们将这三个向量进行相加得到输入的embedding。结构如下图所示
  
• 输入的标记
  在bert种，为了区分两条句子，用[CLS]表示所有句子的开头，用[SEP]来分隔两个句子，则我们得到的输入为[[CLS],3,5,7,8,[SEP],4,5,4[SEP]]这样的输入形式。
• Masked LM
  Masked LM是为了解决语言模型单向训练的问题，首先，将训练数据中80%的单词用mask表示，将10%的单词用该句子中随机的单词来代替，另外10%保持不变。在输出层的时候，我们用这些被mask和被替代的单词来预测原始的单词，最终算得损失函数。比如我们的输入可能会变成
  [[CLS],[MASK],5,8,8,[SEP],4,[MASK],4[SEP]]
• next sentence predition
  如上所述，在预训练的时候，我们会输入两个句子，但正常情况下我们只有一个句子，那么如何进行构造呢？我们会将一个完整的句子进行分割成2个部分，第二个部分以50%的概率随机替换为其他的句子，如果替换了，那么is_next为0，否则为1。在最终的输出层，我们会构造两个输出节点，类似于二分类，来预测这两个句子是否是同一个句子中的句子。从而计算损失函数，最终的损失函数为Masked LM损失函数两者的和。
• 微调
  当我们用大规模的语料训练好bert模型后，可以根据自己下游的业务继续进行训练。

4、RoBERTa

该论文是由fb和华盛顿大学联合提出的一种方法[4]，这篇文章的创新点不多，更像是对BERT的进一步炼丹，通过调整一些参数，步长等，最终在多个任务中取得了SOTA的效果，所以说，如果丹炼的好，相同的模型，也可以超过之前的效果。RoBERTa主要实验调优的方面有：1、增大训练数据集，增大batch，增大epoch。2、将static masked LM 换成dynamic masked LM。3、去掉NSP。4、用字节代替字符。

• 增大训练数据集，增大batch，增大epoch
  RoBERTa使用更多的数据集，总计160G，其中包括BOOKCORPUS（16G），CC-NEWS（过滤后76G），OPENWEBTEXT（38G），STORIES（31G）。
  
  原始bert用的是batch_size为256，steps为1M，RoBERTa用了两组，一组是batch_size为2k,steps为125k，另外一组是batch_size为8k，steps为31k
  
  增大之后的效果如下图所示，可以看到，效果虽有提升，但是整体一般。
  
• 将static masked LM 换成dynamic masked LM
  原始的MLM首先在线下用create pretraing脚本得到相应的训练数据，RoBERTa是在输入的时候对数据进行动态mask，效果如下。整体看来，效果也比较的一般，提升有限。因为这里其实动态的输入和静态数据其实基本上原理是一样的，所以并没有提升太多的效果。
  
• 去掉NSP
  这里的实验结果表明，不使用NSP的效果要优于使用NSP（这里倒还是挺令人意外的）
  
• 用字节代替字符
  原始的bert是用字符作为输入，RoBERTa使用字节，这里会使整体词表的数量增大，但是提升效果一般，就不上图了。
  

5、ALBERT

ALBERT依旧是Google提出的一种算法[5]，其在原始Bert的基础上进行了优化，主要是为了解决Bert的参数量大，训练时间长的问题，其主要有三点创新：1、对输入的embedding进行因式分解。2、层间权重共享。3、损失函数将NSP替换为SOP。

• 输入embedding因式分解
  输入层embedding因式分解是这样一种思想，通常的Bert的embedding向量E和隐藏层H是相等的，假设我们的单词个数是V，则我们的embedding的参数量为V * E,以bert_large为例，V=30000，H=E=4096，那么在优化时需要优化的参数量为30000 * 4096 = 1.23亿。在Albert中，将输入的embeding分成两个部分，V * E 和 E * H的向量，其中E远远小于H，这里的E为128，则H为4096，则参数量为30000 * 128 + 128 * 4096 = 436万，原始Bert的参数量是Albert的28倍。
  
  下面依据论文中的描述，从模型角度和实际角度分析这种做法的可行性
  
  从模型角度来看，V * E是词向量的表示，其不涉及词与词之间的相关关系，也就是说每个单词的embedding是相互独立的，而E * H这个向量则含有了词与词之间的相关信息，所以可以将两者分离开。
  
  从实际角度来看，就是我们上文所说的参数量的减少，通过比较，的确可以有效的减少参数的数量。

• 层间权重共享
  层间权重共享表示的是每个transformer模块的参数是共享的，并且通过实验的比较，发现层间权重共享可以有效的减少震荡，如下图所示。其中蓝线为Albert的结果，红色虚线为Bert的实验结果。
  

• 损失函数将NSP替换为SOP
  论文中讲述了在单个任务中，NSP可以进行主题预测和连贯性预测，NSP的主题预测其实和MLM的效果有一定的冲突，所以作者用SOP代替NSP，NSP是进行两个句子的构造，正例的构造方法是选择一个句子，并将该句子所在句子的后一句作为第二个句子。负例选择的方法是选择一个句子，并随机选择另一个文档的一个句子。在输出时判断这两个句子是否属于同一个句子，类似于一个二分类。SOP的同样是进行两个句子的构造，正例的构造方法和NSP一样，负例的构造方法是将正例中的两个句子调换个位置。
  

6、spanBert

spanBert是由华盛顿大学，fb等联合提出的一种改进bert的方法，其中它在三个方面进行的改进：1、将token mask改成span mask。2、损失函数加上SBO损失。3、去掉NSP。

• 将token mask改成span mask
  我们知道，原生bert用的是单字进行输入，但是有些情况下，一个单词是最小单元，比如"Denver Broncos"是NFL的一个队伍，所以正常来说将这个单词全部mask会是比较合理的。如下图所示,在这幅图中，将"an American football game"作为整体mask，这也是为啥叫span的思想。
  
• 损失函数加上SBO损失
  还如上图所示，损失函数中除了原生bert中自带的\(L_{MLM}(football | x_{7})\)，还有SBO损失\(L_{SBO}(football | x_{4},x_{9},p_{3})\)，这三个数是怎么得来的呢，假定这个句子为\(x_{1},x_{2}.....x_{n}\)这里n=12,\((x_{s},x_{e})\)表示被mask的集合，这里s=5,e=8，可以用以下公式得到结果。这里i=7,所以根据公式计算得到\(x_{4},x_{9},P_{3}\)

\[ y_{i} = f(x_{s-1},x_{e+1},P_{i-s+1}) \]

• 去掉NSP
  作者认为NSP会使效果不好，所以去掉了，原文中的两个句子也变成了单个句子。

7、xlnet

xlnet是由卡内基梅隆大学和Google大脑联合提出的一种算法，其沿用了自回归的语言模型，并利用排列语言模型合并了bert的优点，同时集成transformer-xl对于长句子的处理，达到了SOTA的效果。

• AR和AE
  AR表示自回归语言模型，自回归语言模型可以理解为单向的语言模型，即通过上文或者是下文预测当前单词，比较有代表性的是GPT，elmo等。AE是自编码语言模型，其通过上下文来预测当前单词，比较有代表性的是bert，利用masked LR，使得上下文单词可以预测当前单词，但是bert的这种方法有一个问题，就是在微调阶段，文本没有办法进行masked，这样会造成一定的性能损失。所以，xlnet就提出了一种排列语言模型，这种模型集成了AR和AE的优点。
• 排列语言模型
  一个简单和直观的想法是，我们将输入的token进行随机排列，然后输入到模型中，这样模型不久可以学习到上下文的信息了么，但是这种方法有两个问题：1、选择多少个排列组合进行输入呢，要知道，对于输入个数为T的单词，其排列组合T!,那我们如何取舍？2、对于微调阶段来说，我们也不可能将输入的序列进行多次排列吧，这个如何解决？第一个问题很好解决，干脆随机抽取一部分就行。第二个问题解决起来比较麻烦，那么xlnet用了一种attention mask的方式，解决了这个问题，同时，还无需改变输入序列的顺序。
  
  上图表示用两种不同的输入流，分别是query stream和content stream，其中有两种不同的mask方式，既然我们无法改变输入的顺序，那么我们可以通过相应的mask方式来达到相应的效果，对于上图来说，原始的输入是x1,x2,x3,x4,但是我们又想达到x3,x2,x4,x1的效果，怎么办呢？对于序列x3,x2,x4,x1来说，x3看不见任何东西，x2可以看到x3，x4可以看到x3,x2,x1可以看到x3,x2,x4，那么写成mask矩阵的形式就是如右上角的那个图，我们可以对输入的矩阵做一个处理，让相应的单词看不见其他的单词的方式，就可以达到这种效果。
• 集成Transformer-XL
  对于过长序列，如果分段来进行处理，往往会遗漏信息，且效果会下降，那么xlnet借鉴了Transformer-XL的思想，设置一个保留上一个片段的信息，在训练时进行更新。

参考文献 [1]Ashish Vaswani（2017）Attention Is All You Need.
[2]Alec Radford（2018）Improving Language Understanding by Generative Pre-Training.
[3]Jacob Devlin（2019）BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding.
[4]Yinhan Liu(2019)RoBERTa: A Robustly Optimized BERT Pretraining Approach.
[5]Zhenzhong Lan(2020)ALBERT: A LITE BERT FOR SELF-SUPERVISED LEARNING OF LANGUAGE REPRESENTATIONS.
[6]Mandar Joshi(2020)panBERT: Improving Pre-training by Representing and Predicting Spans.
[7]Zhilin Yang(2019).XLNet: Generalized Autoregressive Pretraining for Language Understanding.