BERT通俗笔记：从Word2Vec/Transformer逐步理解到BERT

2022-11-05 21:53 410人阅读评论(0)

前言

我在写上一篇博客《22下半年》时，有读者在文章下面评论道：“july大神，请问BERT的通俗理解还做吗？”，我当时给他发了张俊林老师的BERT文章，所以没太在意。

直到今天早上，刷到CSDN上一篇讲BERT的文章，号称一文读懂，我读下来之后，假定我是初学者，读不懂。

关于BERT的笔记，其实一两年前就想写了，迟迟没动笔的原因是国内外已经有很多不错的资料，比如国外作者Jay Alammar的一篇图解Transformer：The Illustrated Transformer，再比如国内张俊林老师的这篇《说说NLP中的预训练技术发展史：从Word Embedding到Bert模型》。

本文基本上可以认为是对这几篇文章在内的学习笔记(配图也基本上都来自文末的参考文献)，但本篇笔记准备面对没有任何NLP模型背景的文科生/初学者来写，不出现任何没有解释的概念。作为初学者的你，读本文之前，很多文章你看不懂看不下去，读本文之后，网上1/3值得看的文章你都看得懂、看得下去，本文的目的之一就达到了！

毕竟据我观察，网上关于Transformer/BERT的文章无外乎是以下这几种情况：

对经典外文做各种解读或翻译的，比如围绕上面那篇《The Illustrated Transformer》，当然，有的翻的不错受益匪浅，有的还不如有道翻译来得通顺/靠谱（关键阅读量还不低，一想到大学期间不小心看了很多烂翻译的IT外版书，就恶心，劝君多说人话，没那水平别翻译），当然，本文已汲众各长、去其槽粕
对BERT原始论文做各种解读的，有的号称一文读懂BERT，但读下来感觉像是在看机器翻译出来的文章，文章可读性取决于Google翻译的水平
用自己语言介绍transformer和BERT的，但有些文章有个显而易见的缺点是，文章自身水平抬得过高，作者经常性的自以为、想当然，导致各种背景知识、各种概念有意无意的忽略

我写博客从2010.10.11至今已经超过11年了，这11年还是写过很多通俗易懂的笔记，比如svm xgboost cnn rnn lstm这些，刚好总结一下把文章写通俗的方法，也算是对本文行文的指导思想：

行为逻辑/条理一定要清晰，这点是最基本的，没有逻辑就没有可读性，通俗是增加可读性
凡是背景知识得交待，不要想当然不要自以为读者什么都懂，你自己变聪明了不见得是聪明，你自己不聪明让读者变聪明才是真的聪明
爬楼梯逐级而上有100级则爬100级，不出现断层，一出现断层，笔记就不完美了，所以本文准备从头开始写：NNLM → Word2Vec → Seq2Seq → Seq2Seq with Attention → Transformer → Elmo → GPT → BERT（从不懂到弄懂所有这些模型，我用了整整5个半天即2.5天，而有了本文，你从不懂到懂这些模型，可能只需要5个半小时即2.5h，这是本文的目的之二）
公式能展开尽可能展开，不惜字如金，十句解释好过一句自以为是
多用图、多举例，有时一图胜千言，有时一个好的例子可以避免绕来绕去

当然上面都是术，真正战略层面的则一句话：用初学者思维行文每一字每一句。

最近我一直在看哲学相关的书，哲学里有一个很流行的观点是：反思一切司空见惯的事务、现象、常识，类比到大家写文章的话，则是你真的理解你行文的每一字每一句么还是想当然，你真的认为初学者能看懂你写的每一字每一句么还是自以为。

本文篇幅较长，没办法，一者为了大一统BERT相关的所有概念/模型，篇幅不可能短，二者不想因为所谓的篇幅有限而抹杀本文的通俗易懂性。另，行文过程中，得到了我司七月在线部分讲师的指点，以及杜助教的确认/讨论，有何问题欢迎不吝指正，thanks。

第一部分理解基本概念：从NNLM到Word2Vec

我博客内之前写过一篇word2vec笔记，如今再看写的并不通俗易懂，巧的是，写本文开头那篇图解transformer文章的作者，他也有写一篇图解word2vec，本部分中的核心阐述和大部分配图均来自此文。

为了让每一个初学者可以从头看到尾，不至于因行文过程中的任何一句话而卡壳看不下去，我在原英文的基础上，加了大量自己的学习心得、说明解释(得益于看过很多文学和哲学书，且学过算法，所以文笔尚可、逻辑尚可)。

1.1 从向量表示到词嵌入

不知你可曾听说过华为对于求职人员的性格测试？这个测试会问你一系列的问题，然后在很多维度给你打分，内向/外向就是其中之一，然后用0到100的范围来表示你是多么内向/外向（其中0是最内向的，100是最外向的）

假设一个叫Jay的人，其内向/外向得分为38/100，则可以用下图表示这个得分：

为了更好的表达数据(比如归一化便是为了更好表达数据的例子)，我们把范围收缩到-1到1：

考虑到人性复杂，对于一个人的描述只有一条信息显然是不够的，为此，我们添加另一测试的得分作为一个新的第二维度，而这两个维度均可以表现为图上的一个点（或称为从原点到该点的向量)

然后可以说这个向量部分地代表了Jay的人格。当你想要将另外两个人与Jay进行比较时，这种表示法就有用了。假设Jay是一家公司的CEO，某天被公共汽车给撞住院了，住院期间需要一个性格相似的人代行Jay的CEO之责。那在下图中，这两个人中哪一个更像Jay呢，更适合做代理CEO呢？

而计算两个向量之间相似度得分的常用方法是余弦相似度，可曾还记得夹角余弦的计算公式？

通过该计算公式可得

从而可知，person 1在性格上与Jay更相似。其实，从坐标系里也可以看出，person1的向量指向与Jay的向量指向更相近（当然，长度也起作用），即他俩具有更高的余弦相似度。

更进一步，两个维度还不足以捕获有关不同人群的足够信息。可曾听说国内有七重人格，而国外心理学也研究出了五个主要人格特征（以及大量的子特征）。

为从简起见，就不用七个维度了，而用五个维度再度比较Jay与person1 2的相似性：

当使用五个维度时，我们没法在二维平面绘制向量小箭头了(毕竟你我都不曾见过五维坐标系)。而实际生活中，我们经常要在更高维度的空间中做研究(有的人把研究一词表达成思考，实际上，大部分人没法在高纬度空间思考，但科学研究人员经常干这事，故表达成研究更准确)，好在余弦相似度仍然有效，它适用于任意维度：

这些得分比上次的得分看起来更准确(对，目前为止，咱只能说看起来更准确，最近学哲学给我最大的感悟是，凡事客观，不要轻易绝对化)，毕竟它们是根据被比较事物的更高维度算出的。

小结一下，有两点

1.我们可以将人和事物表示为代数向量

2.我们可以很容易地计算出相似向量之间的相互关系。

行文至此，可能有同学要问了，为何要把词向量化表示呢，其背后的深意在哪？

众所周知，咱们居住在各个国家的人们通过各自的语言进行交流，但机器无法直接理解人类的语言，所以需要先把人类的语言“计算机化”，那如何变成计算机可以理解的语言呢？

对于这个问题，我们考虑一个很简单的问题，比如对于计算机，它是如何判断一个词的词性，是动词还是名词的呢？

假定我们有一系列样本(x,y)，对于计算机技术机器学习而言，这里的 x 是词语，y 是它们的词性，我们要构建 f(x)->y 的映射：

首先，这个数学模型 f（比如神经网络、SVM）只接受数值型输入；
而 NLP 里的词语，是人类语言的抽象总结，是符号形式的（比如中文、英文、拉丁文等等）；
如此一来，咱们便需要把NLP里的词语转换成数值形式，或者嵌入到一个数学空间里；
进一步，可以把文本分散嵌入到另一个离散空间，称作分布式表示，又称为词嵌入（word embedding）或词向量。
在各种词向量中，有一个简单的词向量是one-hot encoder。所谓 one-hot编码，其思想跟特征工程里处理类别变量的one-hot 一样，本质上是用一个只含一个 1、其他都是 0 的向量来唯一表示词语。当然，不是所有的编码都是01编码。

这就是所谓的词嵌入了。

再举一个例子，这是一个单词“king”的词嵌入（在维基百科上训练的GloVe向量）：

[ 0.50451 , 0.68607 , -0.59517 , -0.022801, 0.60046 , -0.13498 , -0.08813 , 0.47377 , -0.61798 , -0.31012 , -0.076666, 1.493 , -0.034189, -0.98173 , 0.68229 , 0.81722 , -0.51874 , -0.31503 , -0.55809 , 0.66421 , 0.1961 , -0.13495 , -0.11476 , -0.30344 , 0.41177 , -2.223 , -1.0756 , -1.0783 , -0.34354 , 0.33505 , 1.9927 , -0.04234 , -0.64319 , 0.71125 , 0.49159 , 0.16754 , 0.34344 , -0.25663 , -0.8523 , 0.1661 , 0.40102 , 1.1685 , -1.0137 , -0.21585 , -0.15155 , 0.78321 , -0.91241 , -1.6106 , -0.64426 , -0.51042 ]

这是一个包含50个数字的列表。通过观察数值我们看不出什么，但是让我们稍微给它可视化，以便比较其它词向量。故我们把所有这些数字放在一行：

让我们根据它们的值对单元格进行颜色编码（如果它们接近2则为红色，接近0则为白色，接近-2则为蓝色）：

我们将忽略数字并仅查看颜色以指示单元格的值。现在让我们将“king”与其它单词进行比较（注意，世间有相似之人，也有相似之词）：

你会发现“Man”这个词和“Woman”相比，比与“King”相比更相似，而这些向量图示很好的展现了这些单词的含义与关联。

这是另一个示例列表：

通过垂直扫描列来查找具有相似颜色的列，相信你可以看到以下这几点

“woman”和“girl”在很多地方是相似的，“man”和“boy”也是一样
当然，“boy”和“girl”也有彼此相似的地方，但这些地方却与“woman”或“man”不同，为何呢，毕竟boy/girl特指青春年少，而woman/man更多指成人
此外，“king”和“queen”彼此之间相似，毕竟都是所谓的王室成员

1.2 从神经语言模型NNLM到Word2Vec

现在我们已经看过训练好的词嵌入，接下来让我们更多地了解训练过程。但在我们开始使用word2vec之前，我们需要看一下词嵌入的父概念：神经语言模型(NNLM)。

我们每天都会用手机或者电脑，比如我们经常会用到智能手机输入法中的下一单词预测功能，或者你在电脑上用Google搜索也会遇到类似的搜索智能提示（详见此文）。

比如当你输入thou shalt时，系统会预测/提示你想输入的下一个单词是不是not？

在上面这个手机截屏中，该模型接收到两个绿色单词(thou shalt)后，推荐了一组单词(当然，“not” 是其中最有可能被选用的一个)：

我们可以把这个模型想象为这个黑盒：

但事实上，该模型不会只输出一个单词。实际上，它对所有它知道的单词(模型的词库，可能有几千到几百万个单词)的按可能性打分，输入法程序会选出其中分数最高的推荐给用户，比如not

自然语言模型的输出就是模型所知单词的概率评分，我们通常把概率按百分比表示，但是实际上，40%这样的分数在输出向量组是表示为0.4

自然语言模型(请参考Bengio 2003)在完成训练后，会按下图中所示的三个步骤完成预测：

第一步与我们最相关，因为我们讨论的就是Embedding。模型在经过训练之后会生成一个映射单词表所有单词的矩阵，也称词嵌入矩阵。在进行预测的时候，我们的算法就是在这个映射矩阵（词嵌入矩阵）中查询输入的单词（即Look up embeddings），然后计算出预测值：

现在让我们将重点放到模型训练上，来学习一下如何构建这个映射矩阵（词嵌入矩阵）。

1.2.2 语言模型训练：N-Gram技术

我们通过找常出现在每个单词附近的词，就能获得它们的映射关系。机制如下：

先是获取大量文本数据(例如所有维基百科内容)
然后我们建立一个可以沿文本滑动的窗(例如一个窗里包含三个单词)
利用这样的滑动窗就能为训练模型生成大量样本数据。

当这个窗口沿着文本滑动时，我们就能(真实地)生成一套用于模型训练的数据集。

不用多久，我们就能得到一个较大的数据集，从数据集中我们能看到在不同的单词组后面会出现的单词：

在实际应用中，模型往往在我们滑动窗口时就被训练的。而怎么训练模型呢？除了使用神经网络建模之外，大家还常用一项名为N-Gram的技术进行模型训练。

举个例子，请你根据下面这句话前面的信息进行填空：

在空白前面，我提供的背景是五个单词(如果事先提及到‘bus’)，可以肯定，大多数人都会把bus填入空白中。但是如果我再给你一条信息——比如空白后的一个单词，那答案会有变吗？

这下空白处改填的内容完全变了。这时’red’这个词最有可能适合这个位置的词之一。从这个例子中我们可以看到，一个单词的前后词语其实都带着有价值的信息，而且要尽可能考虑两个方向的单词(目标单词的左侧单词与右侧单词)。

1.2.3 Word2Vec的两种架构：从CBOW到Skipgram模型

事实上，我们不仅要考虑目标单词的前两个单词，还要考虑其后两个单词。

如果这么做，我们实际上构建并训练的模型就如下所示：

上述的这种『以上下文词汇预测当前词』架构被称为连续词袋(CBOW)，简单引用下此文的内容做个简单概括（详见原文或参考文献16）：

CBOW包括以下三层：

输入层：包含context(w)中2c个词的词向量、、，其中，v表示单词的向量化表示函数，相当于此函数把一个个单词转化成了对应的向量化表示（类似one-hot编码似的），2c表示上下文取的总词数，m表示向量的维度；

投影层：将输入层的2c个向量做累加求和；

输出层：按理我们要通过确定的上下文决定一个我们想要的中心词wt，但怎么决定想要的中心词具体是{w1 w2 .. wt .. wN}中的哪个呢？通过计算各个可能中心词的概率大小，取概率最大的词便是我们想要的中心词，相当于是针对一个N维数组进行多分类，但计算复杂度太大，所以输出层改造成了一棵Huffman树，以语料中出现过的词当叶子结点，然后各个词出现的频率大小做权重

还有另一种架构，它不根据前后文(前后单词)来猜测目标单词，这种架构就是所谓的Skipgram架构：推测当前单词可能的前后单词。

顺带提一句，关于什么是负采样，可以参见网上相关资料，比如参考文献1。

1.3 Word2vec训练流程：不断缩小error(target - sigmoid_scores)

在训练过程开始之前，我们预先处理我们正在训练模型的文本。

在训练阶段的开始，我们创建两个矩阵：词嵌入Embedding矩阵、上下文Context矩阵，这两个矩阵在我们的词汇表中嵌入了每个单词，且两个矩阵都有这两个维度

第一个维度，词典大小即vocab_size，比如可能10000，代表一万个词
第二个维度，每个词其嵌入的长度即embedding_size，比如300是一个常见值（当然，我们在前文也看过50的例子，比如上文1.1节中最后关于单词“king”的词嵌入长度）

在训练过程开始时，我们先用随机值初始化这些矩阵，然后我们开始训练过程。在每个训练步骤中，我们采取一个相邻的例子及其相关的非相邻例子。

还是这个例子：“Thou shalt not make a machine in the likeness of a human mind”，我们来看看我们的第一组（对于not 的前后各两个邻居单词分别是：Thou shalt 、make a）：

现在我们有四个单词：输入单词not，和输出/上下文单词：thou（实际邻居词），aaron和taco（负面例子）。

我们继续查找它们的嵌入

对于输入词not，我们查看Embedding矩阵
对于上下文单词，我们查看Context矩阵

然后，我们计算输入嵌入与每个上下文嵌入的点积。

还记得什么叫点积吧？所谓点积
两个向量a = [a1, a2,…, an]和b = [b1, b2,…, bn]的点积定义为：

a·b=a1b1+a2b2+……+anbn。

而这个点积的结果意味着『输入』和『上下文各个嵌入』的各自相似性程度，结果越大代表越相似。

为了将将这些分数转化为看起来像概率的东西——我们需要它们都是正值，并且处于0到1之间，刚好可以用上sigmoid这一逻辑函数转换下。

从而我们可以将sigmoid操作的输出视为这些示例的模型输出。您可以看到taco得分最高，aaron最低，无论是sigmoid操作之前还是之后。

既然未经训练的模型已做出预测，而且我们确实拥有真实目标标签来作对比，那么让我们计算模型预测中的误差吧。为此我们只需从目标标签中减去sigmoid分数。

error = target - sigmoid_scores

这是“机器学习”的“学习”部分。现在，我们可以利用这个错误分数来调整not、thou、aaron和taco的嵌入，使我们下一次做出这一计算时，结果会更接近目标分数。

训练步骤到此结束。我们从中得到了这一步所使用词语更好一些的嵌入（not，thou，aaron和taco）。我们现在进行下一步（下一个相邻样本及其相关的非相邻样本），并再次执行相同的过程。

当我们循环遍历整个数据集多次时，嵌入会继续得到改进。然后我们就可以停止训练过程，丢弃Context矩阵，并使用Embeddings矩阵作为下一项任务的已被训练好的嵌入。

第二部分从Seq2Seq到Seq2Seq with Attention

2.1 从Seq2Seq序列到Encoder-Decoder模型

2.1.1 什么是Seq2Seq：输入一个序列输出一个序列

Seq2Seq（是 Sequence-to-sequence 的缩写），就如字面意思，输入一个序列，输出另一个序列，当然，其中输入序列和输出序列的长度是可变的。

比如我们翻译英国经验派哲学家弗兰西斯・培根的一句名言“知识就是力量”，如下图：

Seq2Seq（强调目的）不特指具体方法，满足「输入序列、输出序列」的目的，都可以统称为 Seq2Seq序列。

2.1.2 什么是Encoder-Decoder模型：RNN/LSTM与GRU

为了解决Seq2Seq序列的问题，比如翻译一句话，我们可以通过Encoder-Decoder模型来解决。

从上文我们已经接触到编码的概念，有编码则自然有解码，而这种编码、解码的框架可以称之为Encoder-Decoder，中间一个向量C传递信息，且C的长度是固定的。

本节配图大半来源于参考文献2。

没太明白？可以这么理解，在上图中，我们可以根据不同的任务可以选择不同的编码器和解码器，具体化就是可以是一个RNN。

在参考文献3里《如何从RNN起步，一步一步通俗理解LSTM》，我们已经详细了解了RNN和LSTM，如果忘了，一定要重点复习下（这是继续理解下文的重中之重）

为了建模序列问题，RNN引入了隐状态h（hidden state）的概念，隐状态h可以对序列形的数据提取特征，接着再转换为输出。

在学习RNN之前，首先要了解一下最基本的单层网络，它的结构如下图所示：

输入是x，经过变换Wx+b和激活函数f，得到输出y。相信大家对这个已经非常熟悉了。

在实际应用中，我们还会遇到很多序列形的数据：

如：

自然语言处理问题。x1可以看做是第一个单词，x2可以看做是第二个单词，依次类推。

语音处理。此时，x1、x2、x3……是每帧的声音信号。

时间序列问题。例如每天的股票价格等等。

而其中，序列形的数据就不太好用原始的神经网络处理了。

为了建模序列问题，RNN引入了隐状态h（hidden state）的概念，隐状态h可以对序列形的数据提取特征，接着再转换为输出。

先从的计算开始看：

RNN可以被看做是上述同一神经网络的多次复制，每个神经网络模块会把消息传递给下一个：

当然，更多通常是其变种LSTM或者GRU

这样你就明白了吧，而只要是符合类似的框架，都可以统称为 Encoder-Decoder 模型。

2.2 从Seq2Seq到Seq2Seq with Attention

2.2.1 Attention应运而生：解决信息过长时信息丢失的问题

上文提到：Encoder（编码器）和 Decoder（解码器）之间只有一个「向量C」来传递信息，且C的长度固定。

比如翻译一段语句，翻译的句子短还好，句子一长呢？当输入句子比较长，此时所有语义完全转换为一个中间语义向量C来表示，单词原始的信息已经消失，可想而知会丢失很多细节信息。

所以Encoder-Decoder是有缺陷的，其缺陷在于：当输入信息太长时，会丢失掉一些信息。

而为了解决「信息过长，信息丢失」的问题，Attention 机制就应运而生了。

Ａttention 模型的特点是 Eecoder 不再将整个输入序列编码为固定长度的「中间向量Ｃ」，而是编码成一个向量的序列。引入了Ａttention的Encoder-Decoder 模型如下图：

从输出的角度讲
每个输出的词Y会受到每个输入X1、X2、X3、X4的整体影响，不是只受某一个词的影响，毕竟整个输入语句是整体而连贯的，但同时每个输入词对每个输出的影响又是不一样的，即每个输出Y受输入X1、X2、X3、X4的影响权重不一样，而这个权重便是由Attention计算，也就是所谓的注意力分配系数，计算每一项输入对输出权重的影响大小
从编码的角度讲
在根据给到的信息进行编码时（或称特征提取），不同信息的重要程度是不一样的（可用权重表示），即有些信息是无关紧要的，比如一些语气助词之类的，所以这个时候在编码时，就可以有的放矢，根据不同的重要程度针对性汲取相关信息

2.2.2 通过翻译Tom chase Jerry揭示Attention的算法流程

再举一个机器翻译的例子（本猫追老鼠例子的配图和核心阐述均来源于参考文献4），即用Google翻译这句话：Tom chase Jerry

在翻译“杰瑞”的时候，带有注意力机制的模型会体现出英文单词对于翻译当前中文单词不同的影响程度，比如给出类似这样一个概率分布值：（Tom,0.3）(Chase,0.2) (Jerry,0.5)，每个英文单词的概率代表了翻译当前单词“杰瑞”时，注意力分配模型分配给不同英文单词的注意力大小（类似我司七月在线开董事会，虽然每个人都有发言权，但对不同议题进行决策时，很明显对具体议题更擅长的人拥有更大的发言权，而这个发言权就像权重一样，不同的人对最终决策结果的产生有着不同大小的影响）
目标句子中的每个单词都应该学会其对应的源语句子中单词的注意力分配概率信息。这意味着在生成每个单词的时候，原先都是相同的中间语义表示C会被替换成根据当前生成单词而不断变化的（注：这里就是Attention模型的关键，即由固定的中间语义表示C换成了根据当前输出单词来调整成加入注意力模型的变化的）。
生成目标句子单词的过程成了下面的形式：

而每个可能对应着不同的源语句子单词的注意力分配概率分布，比如对于上面的英汉翻译来说，其对应的信息可能如下：

其中，f2函数代表Encoder对输入英文单词的某种变换函数，比如如果Encoder是用的RNN模型的话，这个f2函数的结果往往是某个时刻输入后隐层节点的状态值；g代表Encoder根据单词的中间表示合成整个句子中间语义表示的变换函数，一般的做法中，g函数就是对构成元素加权求和，即下列公式：

其中，代表输入句子Source的长度，代表在Target输出第i个单词时Source输入句子中第j个单词的注意力分配系数，而则是Source输入句子中第j个单词的语义编码。
假设下标i就是上面例子所说的“ 汤姆” ，那么就是3，h1=f(“Tom”)、h2=f(“Chase”)、h3=f(“Jerry”)分别是输入句子每个单词的语义编码，对应的注意力模型权值则分别是0.6,0.2,0.2，所以g函数本质上就是个加权求和函数。如果形象表示的话，翻译中文单词“汤姆”的时候，数学公式对应的中间语义表示的形成过程类似下图。

这里有一个问题：生成目标句子某个单词，比如“汤姆”的时候，如何知道Attention模型所需要的输入句子单词注意力分配概率分布值呢？就是说“汤姆”对应的输入句子Source中各个单词的概率分布：(Tom,0.6)(Chase,0.2) (Jerry,0.2) 是如何得到的呢？为做说明，特引用参考文献4对应的内容，如下

为了便于说明，我们假设对非Attention模型的Encoder-Decoder框架进行细化，Encoder采用RNN模型，Decoder也采用RNN模型，这是比较常见的一种模型配置

那么用下图便可以较为便捷地说明注意力分配概率分布值的通用计算过程。

对于采用RNN的Decoder来说

在时刻i，如果要生成单词，我们是可以知道Target在生成之前的时刻i-1时，隐层节点在i-1时刻的输出值的（这是RNN结构的特性，如果忘了RNN结构特性请回顾参考文献3）

而我们的目的是要计算生成时输入句子中的单词“Tom”、“Chase”、“Jerry”对来说的注意力分配概率分布，那么可以用Target输出句子i-1时刻的隐层节点状态去一一和输入句子Source中每个单词对应的RNN隐层节点状态进行对比，即通过函数来获得目标单词和每个输入单词对应的对齐可能性，这个F函数在不同论文里可能会采取不同的方法，然后函数F的输出经过Softmax进行归一化就得到了符合概率分布取值区间的注意力分配概率分布数值

对上面这段，还是有必要再好好解释一下

如我司杜助教所言：“ 这里举的例子是由 Tom chase Jerrry 得到汤姆追逐杰瑞，现在我们假设要预测杰瑞（已经预测出来汤姆追逐），那么这个时候，i 就表示的是杰瑞这个时刻，i-1时刻的hidden就包含了汤姆追逐的信息，就是想计算i-1时刻的hidden和Tom、chase、Jerry的各自不同的Attention数值，进而更好地预测杰瑞这个词 ”
至于注意力分配概率的分布数值，有多种不同的计算方法，具体参见此文：Attention? Attention!，或者参看参考文献14（33min至37min，以及50min都有讲）

2.2.3 Attention的算法流程总结：通过计算相似性得出权重最后加权求和

再比如，图书馆（source）里有很多书（value），为了方便查找，我们给书做了编号（key）。当我们想要了解漫威（query）的时候，我们就可以看看那些动漫、电影、甚至二战（美国队长）相关的书籍。

为了提高效率，并不是所有的书都会仔细看，针对漫威来说，动漫，电影相关的会看的仔细一些（权重高），但是二战的就只需要简单扫一下即可（权重低）。

当我们全部看完后就对漫威有一个全面的了解了。

可以看到，将Source中的构成元素想象成是由一系列的<Key,Value>数据对构成，此时给定Target中的某个元素Query，通过计算Query和各个Key的相似性或者相关性，得到每个Key对应Value的权重系数，然后对Value进行加权求和，即得到了最终的Attention数值。

所以本质上Attention机制是对Source中元素的Value值进行加权求和，而Query和Key用来计算对应Value的权重系数。即可以将其本质思想改写为如下公式：

整个过程具体如下图所示：

归纳整理一下，则为

第一步：代表漫威漫画的query 和代表某本书的key 进行相似度计算（常见的方法包括：求两者的向量点积、求两者的向量Cosine相似性等），得到权值
第二步：将权值进行归一化（将原始计算分值整理成所有元素权重之和为1的概率分布，或者说通过SoftMax的内在机制更加突出重要元素的权重），得到直接可用的权重
第三步：将权重和 value 进行加权求和

值得一提的是，Attention 并不一定要在 Encoder-Decoder 框架下使用的，他是可以脱离 Encoder-Decoder 框架的。

了解了Attention的本质思想，理解所谓的Self-Attention就容易了，具体下文会详细阐述。这里先简单提一嘴。

在一般任务的Encoder-Decoder框架中，输入Source和输出Target内容是不一样的，比如对于英-中机器翻译来说，Source是英文句子，Target是对应的翻译出的中文句子，Attention机制发生在Target的元素Query和Source中的所有元素之间。

而Self Attention顾名思义，指的不是Target和Source之间的Attention机制，而是Source内部元素之间或者Target内部元素之间发生的Attention机制，也可以理解为Target=Source这种特殊情况下的注意力计算机制。其具体计算过程是一样的，只是计算对象发生了变化而已。

第三部分通俗理解Transformer：理解它就理解了BERT的一半

自从2017年此文《Attention is All You Need》提出来Transformer后，便开启了大规模预训练的新时代，也在历史的长河中一举催生出了BERT这样的大一统模型。

有兴趣的，可以回顾下。比如2018年3月份华盛顿大学提出ELMO、2018年6月份OpenAI提出GPT、2018年10月份Google提出BERT、2019年6月份CMU+google brain提出XLNet等等。

不过，据目前我所看到的文章里面，介绍Transformer比较好懂的还是开头所提的这篇《The Illustrated Transformer》，本部分中的核心阐述和大部分配图均来自此文。

接下来，我在此文的基础上加以大量解释、说明，以让之成为全网最通俗易懂的Transformer导论。因为这些解释、说明是你在其他文章中看不到的，而正因为有了这些解释、说明，才足以真正让每一个初学者都能快速理解到底什么是Transformer。

3.1 Transformer之编码：自注意力/位置编码/求和与归一化

3.1.1 从机器翻译模型开始谈起

还是考虑上文中已经出现过的机器翻译的模型。当我们从外部现象来看的话，这个机器翻译技术就像是一个黑箱操作：就是输入一种语言，系统输出另一种语言：

当我们拆开这个黑箱后，我们可以看到它是由编码组件、解码组件和它们之间的连接组成。

其中

编码组件部分由一堆编码器/encoder构成（具体个数可以调）
解码组件部分也是由相同数量（与编码器对应）的解码器decoder组成的

当我们拆开这个编码器会发现，所有的编码器在结构上都是相同的，但是并不共享参数，每个编码器都可以分解成两个子层。

当我们把编码器和解码器联合起来看待整个流程就是：

首先，从编码器输入的句子会先经过一个自注意力层（即self-attention，下文会具体阐述），它会帮助编码器在对每个单词编码时关注输入句子的其他单词
接下来，自注意力层的输出会传递到前馈（feed-forward）神经网络中，每个位置的单词对应的前馈神经网络的结构都完全一样（注意：仅结构相同，但各自的参数不同）
最后，流入解码器中，解码器中除了也有自注意力层、前馈层外，这两个层之间还有一个编码-解码注意力层，用来关注输入句子的相关部分（和seq2seq模型的注意力作用相似）

3.1.2 将张量引入图景

我们已经了解了模型的主要部分，接下来我们看一下各种向量或张量（译注：张量概念是矢量概念的推广，可以简单理解矢量是一阶张量、矩阵是二阶张量）是怎样在模型的不同部分中，将输入转化为输出的。

像大部分NLP应用一样，我们首先将每个输入单词通过词嵌入算法转换为词向量。

每个单词都被嵌入为512维的向量(512是transformer原作者设定的一个维度，类似编码器/解码器的数量一样，也是我们可以设置的超参数。顺带提句，训练集中最长句子的长度论文中也设置的512)，但为方便后续一系列的图示，这里用4个格子代表512维，即虽然你只看到4维，但你要明白实际背后代表着512维。

所有编码器接收一组向量作为输入，论文中的输入向量的维度是512。最底下的那个编码器接收的是嵌入向量，之后的编码器接收的是前一个编码器的输出。

当我们的输入序列经过词嵌入之后得到的向量，会依次通过编码器组件中的两个层。

接下来我们看看Transformer的一个核心特性

在这里输入序列中每个位置的单词都各自单独的路径流入编码器。不知你发现没有，各个单词是同时流入编码器中的，不是排队进入..
在自注意力self-attention层中，这些路径两两之间是相互依赖的，而前馈层（feed-forward）则没有这些依赖性，所以这些路径在流经前馈层（feed-forward）时可以并行计算

然后我们将以一个更短的句子（Thinking Machine）为例，看看编码器的每个子层中发生了什么。

3.1.3 开始“编码”：从自注意力机制到多头注意力

如上述已经提到的，一个编码器接收一组向量作为输入，输入向量先通过一个自注意力层，再经过一个前馈神经网络，最后将其输出给下一个编码器组件。

输入序列的每个单词都经过自编码过程。然后，他们各自通过前向传播神经网络——完全相同的网络，而每个向量都分别通过它。

3.1.3之0/7 什么是自注意力机制：从宏观视角看自注意力机制

咱们通过一个例子了解自注意力机制的工作原理。

例如，下列句子是我们想要翻译的输入句子：
“The animal didn't cross the street because it was too tired”

这个“it”在这个句子是指什么呢？它指的是street 还是这个 animal 呢？对人来说很简单的问题(必然是animal，因为animal才可能cross，才可能tired)，但是对算法而言并不简单，算法不一定知道it指的是animal还是street。

那self-attention机制咋做呢？一般的文章会这么解释：

当模型处理单词“it”时，self-attention允许将“it”和“animal”联系起来。当模型处理每个位置的词时，self-attention允许模型看到句子的其他位置信息作辅助线索来更好地编码当前词。

换言之，自注意力的作用就是：看一看输入句子中其他位置的单词，试图寻找一种对当前单词更好的编码方式。

还记得RNN吧？回想一下RNN对隐藏状态的处理：将之前的隐藏状态与当前位置的输入结合起来。在Transformer中，自注意力机制也可以将对其他单词的“理解”融入到当前处理的单词中。

可能上面那段话稍微有点绕，为通俗起见，说的直白点就是，你如果要更好的理解句中某个特定单词的含义，你要把它放到整个语境之中去理解，比如通过对上下文的把握。那上下文哪些词对理解该特定词更重要呢？这个重要程度便用所谓的权重表示，所以才算出每个词对『该词』的权重，权重越大的单词代表对理解『该词』越重要，然后把该词编码为包括该词在内所有词的加权和。

3.1.3之1/7 计算自注意力第一步：生成查询向量、键向量和值向量向量

首先我们了解一下如何使用向量来计算自注意力，然后来看它是如何以矩阵的方式来计算。

计算自注意力的第一步，就是从每个编码器的输入向量（即每个单词的词向量）生成三个向量：查询向量query-vec、键向量key-vec、值向量value-vec。

至于它们的生成方法是把输入的向量分别乘以三个不同的权重矩阵、、，得到Q、K、V，而这些权重矩阵是在模型训练阶段中训练出来的。

对于上述这两段可能会有同学对一些细节有疑问，而有的文章可能都会觉得不言而喻，因为本文面向初学者，所以我把相关细节一并解释下：

首先，查询向量、键向量、值向量这三个向量的维度在论文中设置的是64，在维度上比词嵌入向量更低，因为词嵌入和编码器的输入/输出向量的维度是512，但值得注意的是也不是必须比编码器输入输出的维数小，这样做主要是为了让多头注意力的计算更稳定
（在下文你会看到，transformer通过多头注意力机制multiheaded attention，对每个512维的输入向量都设置了8个头，不同的头关注每个输入向量不同的部分，而你发现没有：512/8 = 64，且再多说一句，也可以设置为2个头，不一定非得设置为8个头）
其次，对于权重矩阵//如何训练出来的，如陈博士、赵老师等七月在线的讲师所说，具体就是：先随机初始化，然后在损失函数中表示出来，最后通过反向传播不断优化学习得出。至于什么是反向传播，请参见参考文献17）

有了权重矩阵后，对于单词、分别而言

与权重矩阵相乘得到与这个单词相关的查询向量、与权重矩阵相乘得到与这个单词相关的键向量、与权重矩阵相乘得到与这个单词相关的值向量
对于单词而言，依上类推：分别与、、相乘得到该单词的查询向量、键向量、值向量

最终使得输入序列的每个单词各自创建一个查询向量、一个键向量和一个值向量。

可能有的读者有疑问了，设置这三个向量的用意何在或有何深意。实际上

对于查询向量Query而言：query是当前单词的表示形式，用于对所有其他单词（key）进行评分，我们只需要关注当前正在处理的token的query
对于键向量Key而言： Key可以看做是序列中所有单词的标签，是在我们找相关单词时候的对照物
对于值向量Value而言：Value是单词的实际表示，一旦我们对每个单词的相关度打分之后，我们就要对value进行相加表示当前正在处理的单词的value

3.1.3之2/7 计算自注意力第二步：计算得分

计算自注意力的第二步是计算得分。现在我们需要针对这个例子中的第一个单词“Thinking”（pos#1）计算attention分值，即计算每个词对“Thinking”的打分，这个分决定着编码“Thinking”时（某个固定位置时），应该对其他位置上的单词各自给予多少关注度。

这个得分通过“Thinking”所对应的查询向量query和所有词的键向量key，依次乘积得出来。所以如果我们是处理位置最靠前的词的attention分值的话，第一个分数是q1和k1的点积，第二个分数是q1和k2的点积。

3.1.3之3/7 计算自注意力第三、四步：分数除以8然后softmax下

第三步和第四步分别是：

将分数除以8（8是论文中使用的键向量的维数64的平方根，这会让梯度更稳定，也可以使用其它值）
然后通过softmax传递结果，softmax的作用是使所有单词的分数归一化，得到的分数都是正值且和为1

这个softmax分数决定了在编码当下位置（“Thinking”）时，包括当下位置单词（“Thinking”）在内每个单词的所获得的关注度。显然，已经在这个位置上的单词将获得最高的softmax分数。

3.1.3之4/7 计算自注意力第五、六步：值向量乘以softmax分数后对加权值向量求和

第五步是将softmax分值乘以每个值向量(这是为了准备之后将它们求和)。这样操作的意义在于留下我们想要关注的单词的value，并把其他不相关的单词丢掉(例如，让它们乘以0.001这样的小数)。

第六步是对加权值向量求和，产生该位置的self-attention的输出结果(在我们的例子中是对于第一个单词)。

通过这样一系列的计算，可以看到，现在每个词的输出向量z都包含了其他词的信息，每个词都不再是孤立的了。而且词与词的相关程度，可以通过softmax输出的权重进行分析。

这样自注意力的计算就完成了。得到的向量就可以传给前馈神经网络。然而实际中，这些计算是以矩阵形式完成的，以便算得更快。那我们接下来就看看如何用矩阵实现的。

3.1.3之5/7 通过矩阵运算实现自注意力机制

第一步是计算查询矩阵、键矩阵和值矩阵。为此，我们将输入词向量合并成输入矩阵X（矩阵的每一行代表输入句子中的一个单词，所以整个矩阵就代表整个句子），将其乘以我们训练的权重矩阵(、、)。

我们再次看到词嵌入向量 (512，或图中的4个格子)，和q/k/v向量(64，或图中的3个格子)的大小差异。

最后，由于我们处理的是矩阵，我们可以将步骤2到步骤6合并为一个公式来计算自注意力层的输出，下图是自注意力的矩阵运算形式：

3.1.3之6/7 “multi-headed” attention：“大战多头怪”

通过增加一种叫做“多头”注意力（“multi-headed” attention）的机制，论文进一步完善了自注意力层，并在两方面提高了注意力层的性能：

它扩展了模型专注于不同位置的能力。编码“Thinking”的时候，虽然最后Z1或多或少包含了其他位置单词的信息，但是它实际编码中还是被“Thinking”单词本身所支配。如果我们翻译一个句子，比如“The animal didn’t cross the street because it was too tired”，我们会想知道“it”指的是哪个词，这时模型的“多头”注意机制会起到作用。
它给出了注意力层的多个“表示子空间”（representation subspaces）。

July注：第一次看到这里的朋友，可能会有疑问，正如知乎上有人问（https://www.zhihu.com/question/341222779?sort=created ）：为什么Transformer 需要进行Multi-head Attention，即多头注意力机制？
叫TniL的答道：可以类比CNN中同时使用多个滤波器的作用，直观上讲，多头的注意力有助于网络捕捉到更丰富的特征/信息。
论文中是这么说的：Multi-head attention allows the model to jointly attend to information from different representation subspaces at different positions.
关于different representation subspaces，举一个不一定妥帖的例子：当你浏览网页的时候，你可能在颜色方面更加关注深色的文字，而在字体方面会去注意大的、粗体的文字。这里的颜色和字体就是两个不同的表示子空间。同时关注颜色和字体，可以有效定位到网页中强调的内容。使用多头注意力，也就是综合利用各方面的信息/特征（毕竟，不同的角度有着不同的关注点）。

叫LooperXX的则答道：在Transformer中使用的多头注意力出现前，基于各种层次的各种fancy的注意力计算方式，层出不穷。而Transformer的多头注意力看上去是借鉴了CNN中同一卷积层内使用多个卷积核的思想，原文中使用了 8 个 scaled dot-product attention ，在同一 multi-head attention 层中，输入均为 KQV ，同时进行注意力的计算，彼此之前参数不共享，最终将结果拼接起来，这样可以允许模型在不同的表示子空间里学习到相关的信息，在此之前的 A Structured Self-attentive Sentence Embedding 也有着类似的思想。
简而言之，就是希望每个注意力头，只关注最终输出序列中一个子空间，互相独立。其核心思想在于，抽取到更加丰富的特征信息。

ok，接下来，我们将看到对于“多头”注意机制，我们有多个查询/键/值权重矩阵集(Transformer使用八个注意力头，因此我们对于每个编码器/解码器有八个矩阵集合)。每一组都是随机初始化，经过训练之后，输入向量可以被映射到不同的子表达空间中。

在“多头”注意机制下，我们为每个头保持独立的查询/键/值权重矩阵，从而产生不同的查询/键/值矩阵。和之前一样，我们拿X乘以//矩阵来产生查询/键/值矩阵。

如果我们做与上述相同的自注意力计算，只需八次不同的权重矩阵运算，我们就会得到八个不同的Z矩阵。

这给我们带来了一点挑战。前馈层没法一下子接收8个矩阵，它需要一个单一的矩阵(最终这个单一矩阵类似输入矩阵X那样，矩阵中每个的行向量对应一个单词，比如矩阵的第一行对应单词Thinking、矩阵的第二行对应单词Machines)。所以我们需要一种方法把这8个矩阵合并成一个矩阵。那该怎么做？其实可以直接把这些矩阵拼接在一起，然后乘以一个附加的权重矩阵。

这几乎就是多头自注意力的全部，接下来把所有矩阵集中展示下，如下图所示

3.1.3之7/7 当我们重新用上多头注意力后

现在我们已经看过什么是多头注意力了，让我们回顾一下之前的一个例子，再看一下编码“it”的时候每个头的关注点都在哪里：

编码it，用两个head的时候：其中一个更关注the animal（注意看图中黄线的指向），另一个更关注tired（注意看图中绿线的指向）。
相当于此时该模型对it 的编码，使得it不再只是it 本身，同时还包含了the animal和tired的相关信息。

如果我们把所有的头的注意力都可视化一下，就是下图这样。

3.2 Transformer相比CNN/RNN的优势与位置编码

首先，CNN提取的是局部特征，但是对于文本数据，忽略了长距离的依赖，CNN在文本中的编码能力弱于RNN。

那RNN的问题又在哪呢？如参考文献8所说，当计算隐向量h4时，用到了：输入x4和上一步算出来的隐向量h3，h3包含了前面所有节点的信息。

h4中包含最多的信息是当前的输入x4，越往前的输入，随着距离的增加，信息衰减得越多。对于每一个输出隐向量h都是如此，包含信息最多得是当前的输入，随着距离拉远，包含前面输入的信息越来越少。但是Transformer这个结构就不存在这个问题，不管当前词和其他词的空间距离有多远，包含其他词的信息不取决于距离，而是取决于两者的相关性，这是Transformer的第一个优势
第二个优势在于，对于Transformer来说，在对当前词进行计算的时候，不仅可以用到前面的词，也可以用到后面的词，而RNN只能用到前面的词。当然，这倒不是个有多严重的问题，因为这可以通过双向RNN来解决。
第三点，RNN是一个顺序的结构，必须要一步一步地计算，只有计算出h1，才能计算h2，再计算h3，隐向量无法同时并行计算，导致RNN的计算效率不高。通过前文的介绍，可以看到Transformer不存在这个问题。

不过有个细节值得注意下，不知有读者发现没有，即RNN的结构包含了序列的时序信息，而Transformer却完全把时序信息给丢掉了。

而“他欠我100万”，和“我欠他100万”，两者的意思千差万别，故为了解决时序的问题，Transformer的作者用了一个绝妙的办法：位置编码（Positional Encoding）。位置编码是和word embedding同样维度的向量，将位置embedding和词embedding加在一起，作为输入embedding：

关于『使用位置编码表示序列的位置』的细节请参看英文原文。

3.3 解码器与一些细节问题

3.3.1 求和与归一化

最后，在回顾整个Transformer架构之前，还需再提一下编码器中的一个细节：每个编码器中的每个子层（自注意力层、前馈神经网络）都有一个残差连接，之后是做了一个层归一化（layer-normalization）。

将过程中的向量相加和layer-norm（即求和与归一化）的示意图如下所示：

当然在解码器子层中也是这样的，当我们现在画一个有两个编码器和解码器的Transformer，那就是下图这样的：

现在我们已经介绍了编码器的大部分概念，由于encoder的decoder组件差不多，所以也就基本知道了解码器的组件是如何工作的。如此，那让我们直接看看二者是如何协同工作的：

值得一提的是，解码器中的自注意力层和编码器中的不太一样：

Encoder中的Q、K、V全部来自于上一层单元的输出
而Decoder只有Q来自于上一个Decoder单元的输出，K与V都来自于Encoder最后一层的输出。也就是说，Decoder是要通过当前状态与Encoder的输出算出权重后，将Encoder的编码加权得到下一层的状态。总之，在解码器中，自注意力层只允许关注已输出位置的信息。实现方法是在自注意力层的softmax之前进行mask，将未输出位置的信息设为极小值。

3.3.2 最后的线性层和softmax层

Decoder输出的是一个浮点型向量，如何把它变成一个词？这就是最后一个线性层和softmax要做的事情。

线性层就是一个简单的全连接神经网络，它将解码器生成的向量映射到logits向量中。
假设我们的模型词汇表是10000个英语单词，它们是从训练数据集中学习的。那logits向量维数也是10000，每一维对应一个单词的分数。

然后，softmax层将这些分数转化为概率（全部为正值，加起来等于1.0），选择其中概率最大的位置的词汇作为当前时间步的输出。

3.4 Transformer的整个训练过程：预处理与迭代

现在我们已经了解了Transformer的整个前向传播的过程，那我们继续看一下训练过程。
在训练期间，未经训练的模型会进行相同的前向传播过程。由于我们是在有标记的训练数据集上训练它，所以我们可以将其输出与实际的输出进行比较。

3.4.1 预处理阶段：创建词汇表

为了便于理解，我们假设预处理阶段得到的词汇表只包含六个单词（“a”, “am”, “i”, “thanks”, “student”, “<eos>”）。

注意这个词汇表是在预处理阶段就创建的，在训练之前就已经得到了。
一旦我们定义好了词汇表，我们就可以使用长度相同的向量（独热码，one-hot 向量）来表示词汇表中的每个单词。例如，我们可以用以下向量表示单词“am”：

接下来让我们讨论一下模型的损失函数，损失函数是我们在训练阶段优化模型的指标，通过损失函数，可以帮助我们获得一个准确的、我们想要的模型。

3.4.2 损失函数

假设现在是训练阶段的第一步，我们用一个简单的例子（一个句子就一个词）来训练模型：把法文单词“merci”翻译成英文单词“thanks”。
这意味着，我们希望输出是表示“thanks”的概率分布。但由于这个模型还没有经过训练，所以目前还不太可能实现。

由于模型的参数都是随机初始化的，未经训练的模型为每个单词生成任意的概率分布。
我们可以将其与实际输出进行比较，然后使用反向传播调整模型的权重（关于反向传播的解释，请查看此文：如何理解反向传播算法BackPropagation），使输出更接近我们所需要的值。
如何比较两种概率分布？在这个例子中我们只是将二者相减。实际应用中的损失函数请查看交叉熵损失和Kullback–Leibler散度。

3.4.3 一个示例：法文翻译成英文

上述只是最最简单的一个例子。现在我们来使用一个短句子（一个词的句子升级到三三个词的句子了），比如输入法文 “je suis étudiant”，预期的英文翻译结果为： “i am a student”。

所以我们希望模型不是一次输出一个词的概率分布了，能不能连续输出概率分布，最好满足下边要求：

每个概率分布向量长度都和词汇表长度一样。我们的例子中词汇表长度是6，实际操作中一般是30000或50000。
在我们的例子中第一个概率分布应该在与单词“i”相关的位置上具有最高的概率
第二个概率分布在与单词“am”相关的单元处具有最高的概率
以此类推，直到最后输出分布指示“<eos>”符号。除了单词本身之外，单词表中也应该包含诸如“<eos>”的信息，这样softmax之后指向“<eos>”位置，标志解码器输出结束。

对应上面的单词表，我们可以看出这里的one-hot向量是我们训练之后想要达到的目标。
在足够大的数据集上训练模型足够长的时间后，我们希望生成的概率分布如下所示：

这个是我们训练之后最终得到的结果。当然这个概率并不能表明某个词是否是训练集之中的词汇。
在这里你可以看到softmax的一个特性，就是即使其他单词并不是本时间步的输出，也会有一丁点的概率存在，这一特性有助于帮助模型进行训练。
模型一次产生一个输出，在这么多候选中我们如何获得我们想要的输出呢？现在有两种处理结果的方法：

一种是贪心算法（greedy decoding）：模型每次都选择分布概率最高的位置，输出其对应的单词
另一种方法是束搜索（beam search）：保留概率最高前两个单词（例如，“I”和“a”），然后在下一步继续选择两个概率最高的值，以此类推，在这里我们把束搜索的宽度设置为2，当然你也可以设置其他的束搜索宽度。

第四部分通俗理解BERT：从Elmo/GPT到集大成者BERT

本部分内容基本或参考或引用自本文开头所说的张俊林老师的文章，或文末参考文献6：《说说NLP中的预训练技术发展史：从Word Embedding到Bert模型》，此文逻辑清晰，核心要点都有。

4.1 从Word Embedding到ELMO

4.1.1 Word Embedding的缺陷：无法处理多义词问题

在本文的第一部分中，我们介绍了word2vec，但实际生产应用中，word2vec的效果并没有特别好。所以，Word Embedding存在什么问题？

考虑下面两个句子：

Sentence A：He got bit by Python.
Sentence B：Python is my favorite programming language.

在句子A中，Python是蟒蛇的意思，而句子B中是一种编程语言。
如果我们得到上面两个句子中单词Python的嵌入向量，那么像word2vec这种嵌入模型就会为这两个句子中的Python赋予相同的嵌入，因为它是上下文无关的。

所以word embedding无法区分多义词的不同语义，问题的产生总是无情的推动技术的发展，这不ELMO就来了。

4.1.2 根据上下文动态调整的ELMO：基于特征的Pre-Training + 双层双向LSTM

ELMO是“Embedding from Language Models”的简称，提出ELMO的论文题目：“Deep contextualized word representation”更能体现其精髓，而精髓在哪里？在deep contextualized这个短语，一个是deep，一个是context，其中context更关键。

它与之前的wordvec有何本质区别？

在此之前的Word Embedding本质上是个静态的方式，所谓静态指的是训练好之后每个单词的表达就固定住了，以后使用的时候，不论新句子上下文单词是什么，这个单词的Word Embedding不会跟着上下文场景的变化而改变，所以对于比如Python这个词，它事先学好的Word Embedding中混合了几种语义，在应用中来了个新句子，即使从上下文中（比如句子包含money等词）明显可以看出它代表的是“银行”的含义，但是对应的Word Embedding内容也不会变，它还是混合了多种语义。
而ELMO的本质思想是：我事先用语言模型学好一个单词的Word Embedding，然后在我实际使用Word Embedding的时候，单词已经具备了特定的上下文了，这个时候我可以根据上下文单词的语义去调整单词的Word Embedding表示，这样经过调整后的Word Embedding更能表达在这个上下文中的具体含义，自然也就解决了多义词的问题了。

所以ELMO本身是个根据当前上下文对Word Embedding动态调整的思路。

具体而言，ELMO采用了典型的两阶段过程：

第一个阶段是利用语言模型进行预训练
上图左端的前向双层LSTM代表正方向编码器，输入的是从左到右顺序的除了预测单词外的上文Context-before，右端的逆向双层LSTM代表反方向编码器，输入的是从右到左的逆序的句子下文Context-after
同时，每个编码器的深度都是两层LSTM叠加
第二个阶段是在做下游任务时，从预训练网络中提取对应单词的网络各层的Word Embedding作为新特征补充到下游任务中

上图展示的是其预训练过程，它的网络结构采用了双层双向LSTM（忘了LSTM长啥样的，可以通过参考文献3回顾下），双向LSTM可以干啥？可以根据单词的上下文去预测单词，毕竟这比只通过上文去预测单词更准确。

这时有同学有疑问了，ELMO采用双向结构不就能看到需要预测的单词了么，你都能看到参考答案了，那岂不影响最终模型训练的效率与准确性，因为哪有做题时看着参考答案做题的。不过，巧就巧在ELMO采用的双向结构是基于LSTM的，而各个LSTM之间是独立的，从而避免了这个问题！

ELMO这个网络结构其实在NLP中是很常用的。使用这个网络结构利用大量语料做语言模型任务就能预先训练好这个网络，如果训练好这个网络后，再输入一个新句子，句子中每个单词都能得到对应的三个Embedding：

最底层是单词的Word Embedding；
往上走是第一层双向LSTM中对应单词位置的Embedding，这层编码单词的句法信息更多一些；
再往上走是第二层LSTM中对应单词位置的Embedding，这层编码单词的语义信息更多一些。

也就是说，ELMO的预训练过程不仅仅学会单词的Word Embedding，还学会了一个双层双向的LSTM网络结构，而这两者后面都有用。

预训练好网络结构后，如何给下游任务使用呢？下图展示了下游任务的使用过程，比如我们的下游任务仍然是QA问题，此时对于问句X

可以先将句子X作为预训练好的ELMO网络的输入
这样句子X中每个单词在ELMO网络中都能获得对应的三个Embedding
之后给予这三个Embedding中的每一个Embedding一个权重a，这个权重可以学习得来
根据各自权重累加求和，将三个Embedding整合成一个
然后将整合后的这个Embedding作为X句在自己任务的那个网络结构中对应单词的输入，以此作为补充的新特征给下游任务使用

对于上图所示下游任务QA中的回答句子Y来说也是如此处理。因为ELMO给下游提供的是每个单词的特征形式，所以这一类预训练的方法被称为“Feature-based Pre-Training”。

技术迭代的长河永不停歇，那么站在现在这个时间节点看，ELMO有什么值得改进的缺点呢？

首先，一个非常明显的缺点在特征抽取器选择方面，ELMO使用了LSTM而不是新贵Transformer，毕竟很多研究已经证明了Transformer提取特征的能力是要远强于LSTM
另外一点，ELMO采取双向拼接这种融合特征的能力可能比BERT一体化的融合特征方式弱

上述第二点指的是除了以ELMO为代表的这种基于特征融合的预训练方法外，NLP里还有一种典型做法，一般将这种方法称为“基于Fine-tuning的模式”，而GPT就是这一模式的典型开创者。

4.2 从Word Embedding到GPT

4.2.1 生成式的预训练之GPT：预训练 + Fine-tuning + 单向Transformer

GPT是“Generative Pre-Training”的简称，从名字看其含义是指的生成式的预训练。
GPT也采用两阶段过程，第一个阶段是利用语言模型进行预训练，第二阶段通过Fine-tuning的模式解决下游任务。

下图展示了GPT的预训练过程，其实和ELMO是类似的，主要不同在于两点：

首先，特征抽取器不是用的LSTM，而是用的Transformer，毕竟它的特征抽取能力要强于LSTM，这个选择很明显是很明智的；
其次，GPT的预训练虽然仍然是以语言模型作为目标任务，但是采用的是单向的语言模型

ELMO在做语言模型预训练的时候，预测单词可以同时使用上文和下文，用的双向LSTM结构，而GPT则只采用单词的上文来进行单词预测，而抛开了下文。说人话，就是让你根据提示造句，从左到右，是单向的。

什么是单向Transformer？在Transformer的文章中，提到了Encoder与Decoder使用的Transformer Block是不同的。怎么个不同？通过本文第三部分对Transformer的介绍可得知：

Encoder因为要编码整个句子，所以每个词都需要考虑上下文的关系。所以每个词在计算的过程中都是可以看到句子中所有的词的；

但是Decoder与Seq2Seq中的解码器类似，每个词都只能看到前面词的状态，所以是一个单向的Self-Attention结构

换言之，在解码Decoder Block中，使用了Masked Self-Attention，即句子中的每个词，都只能对包括自己在内的前面所有词进行Attention，这就是单向Transformer。

而GPT使用的Transformer结构就是将Encoder中的Self-Attention替换成了Masked Self-Attention，从而每个位置的词看不到后面的词。

July写博客嘛，就喜欢抠细节不抠清楚不罢休，故帮本文的读者发挥下想象。

比如有人可能立马就疑问了，既然我们已经确定通过上下文预测单词可以更准确，为何GPT还抛弃下文只通过上文预测单词呢？

GPT是有苦衷的

首先，GPT把特征提取器从LSTM换成了更强的transformer，此举已经很是创新了（GPT之后大部分模型都开始用Transformer做特征提取器）

而此时如果用Transformer的结构提取上下文去做单词预测，那就势必用上Transformer双向结构，而Transformer不像ELMO的双向LSTM结构之间彼此独立而不会see itself，但双向Transformer会出现see itself 啊！
这可万万不行，因为咱们原本就要训练模型的预测能力，而如果你通过双向非独立的结构都能看到中间要被预测的单词、看到答案了（比如当你用前面的词逐个的预测下一个词的时候，结果你从另一个方向看到每个词，你品、你细细品，举个例子，预测a b c d f，一开始从左至右逐个预测第二位置第三位置第四位置的词：b c d，然后你从右往左预测时，能逐个看到：第四位置第三位置第二位置的词：d c b），还做个啥子预测？

最终两相权衡，才导致GPT放弃Transformer的双向结构，改用Transformer的单向结构

上面讲的是GPT如何进行第一阶段的预训练，那么假设预训练好了网络模型，后面下游任务怎么用？它有自己的个性，和ELMO的方式大有不同。

上图展示了GPT在第二阶段如何使用：

首先，对于不同的下游任务来说，本来你可以任意设计自己的网络结构，现在不行了，你要向GPT的网络结构看齐，把任务的网络结构改造成和GPT的网络结构是一样的
然后，在做下游任务的时候，利用第一步预训练好的参数初始化GPT的网络结构，这样通过预训练学到的语言学知识就被引入到你手头的任务里来了，这是个非常好的事情
再次，你可以用手头的任务去训练这个网络，对网络参数进行Fine-tuning，使得这个网络更适合解决手头的问题

虽然GPT基本就用的Transformer的结构，但话虽如此，可光理论不举例则总是不够形象、不够具体，而具体可以看下参考文献10的例子。

4.3 集大成者之BERT：双向Transformer版的GPT

4.3.1 BERT模型的架构：预训练 + Fine-Tuning + 双向Transformer

我们经过跋山涉水，终于到了目的地BERT模型了。GPT-2是使用「Transformer单向解码器Decoder模块」构建的，而 BERT则是通过「Transformer双向编码器Encoder 模块」构建的：

BERT采用和GPT完全相同的两阶段模型，首先是语言模型预训练，其次是使用Fine-Tuning模式解决下游任务
和GPT的最主要不同在于在预训练阶段采用了类似ELMO的双向语言模型，当然另外一点是语言模型的数据规模要比GPT大

所以这里BERT的预训练过程不必多讲了。

第二阶段，Fine-Tuning阶段，这个阶段的做法和GPT是一样的。

4.3.3 BERT与GPT、ELMO、Word2Vec三者的异同

到这里我们可以再梳理下几个模型之间的演进关系。从上图可见，BERT其实和ELMO、GPT存在千丝万缕的关系：

比如如果我们把GPT预训练阶段换成双向语言模型，那么就得到了BERT；
而如果我们把ELMO的特征抽取器换成Transformer，那么我们也会得到BERT

说白了，BERT综合了ELMO的双向优势与GPT的Transformer特征提取优势，即关键就两点

第一点是特征抽取器采用Transformer
第二点是预训练的时候采用双向语言模型

4.3.4 BERT的两个创新点：Masked语言模型与Next Sentence Prediction

通过之前内容的多处示例，我们早已得知，预测一个单词只通过上文预测不一定准确，只有结合该词的上下文预测该词才能更准确。

那么新问题来了：对于Transformer来说，怎样才能在这个结构上做双向语言模型任务呢？

很简单，它借鉴了Word2Vec的CBOW方法：根据需要预测单词的上文Context-Before和下文Context-after去预测单词。

现在我们来总结、对比下ELMO、GPT、BERT预测中间词的不同：

如上文4.1.2节所说，ELMO采用双向LSTM结构，因为各个LSTM结构之间是互相独立的，所以可以根据上下文预测中间词
如上文4.2.1节所说，GPT在做另一个任务：根据上文预测下一个单词时，要求Pre-Training预测下一个词的时候只能够看见当前以及之前的词，这也是GPT放弃原本Transformer的双向结构转而采用单向结构的原因。从而此举也就决定了GPT只能根据上文预测下一个单词..
而BERT没有像GPT一样完全放弃下文信息，而是采用了双向的Transformer。恩？！立马就有人要问了：用双向Transformer结构的话，不就导致上文4.2.1节说过的“看见”参考答案，也就是“see itself”的问题了么？

好问题啊！BERT原始论文里也提到了这点：“因为双向条件会让每个词间接地 ‘看到自己/see itself’，从而模型在多层上下文中可以十分容易地预测目标词”，而BERT用的双向Transformer结构，而非彼此独立的双向LSTM结构，那咋办呢？

如果BERT只是一个大杂烩，没有任何创新，便只会注定BERT平凡的命运，也就不是我们目前所熟知的BERT了。但BERT强就强在除了集众所长之外，还做了两个创新：一个是论文中指出的Masked 语言模型，一个是Next Sentence Prediction。

首先来看第一个创新点，即什么是“Masked Language Model（MLM）呢？所谓MLM是指在训练的时候随即从输入预料上mask掉一些单词，然后通过的上下文预测该单词，该任务非常像训练一个中学生做完形填空的能力。

也就是说

为了让BERT具备通过上下文做完形填空的能力，自然就得让BERT不知道中间待预测词的信息，所以就干脆不要告诉模型这个中间待预测词的信息好了
即在输入的句子中，挖掉一些需要预测的词，然后通过上下文来分析句子，最终使用其相应位置的输出来预测被挖掉的词

绝！但是，直接将大量的词替换为<MASK>标签可能会造成一些问题，模型可能会认为只需要预测<MASK>相应的输出就行，其他位置的输出就无所谓。同时Fine-Tuning阶段的输入数据中并没有<MASK>标签，也有数据分布不同的问题。

为了减轻这样训练带来的不利影响，BERT采用了如下的方式：输入数据中随机选择15%的词用于预测，这15%的词中

80%的词向量输入时被替换为<MASK>，比如my dog is hairy -> my dog is [mask]
10%的词的词向量在输入时被替换为其他词的词向量，比如my dog is hairy -> my dog is apple
另外10%保持不动，比如my dog is hairy -> my dog is hairy

这样一来就相当于告诉模型，我可能给你答案，也可能不给你答案，也可能给你错误的答案，有<MASK>的地方我会检查你的答案，没<MASK>的地方我也可能检查你的答案，所以<MASK>标签对你来说没有什么特殊意义，所以无论如何，你都要好好预测所有位置的输出。

至于BERT的第二个创新点：“Next Sentence Prediction”，其任务是判断句子B是否是句子A的下文，如果是的话输出’IsNext‘，否则输出’NotNext‘，这个关系保存在BERT输入表示图中的[CLS]符号中。

至于训练数据的生成方式是从平行语料中随机抽取的两句话：

其中50%是选择语料库中真正顺序相连的两个句子，符合IsNext关系
另外50%是第二个句子从语料库中随机选择出一个拼到第一个句子后面，它们的关系是NotNext

相当于我们要求模型除了做上述的Masked语言模型任务外，附带再做个句子关系预测，判断第二个句子是不是真的是第一个句子的后续句子。

之所以这么做，是考虑到很多NLP任务是句子关系判断任务，单词预测粒度的训练到不了句子关系这个层级，增加这个任务有助于下游句子关系判断任务。所以可以看到，它的预训练是个多任务过程，这也是BERT的一个创新。

下图是张老师团队此前利用微博数据和开源的BERT做预训练时随机抽出的一个中文训练实例，从中可以体会下上面讲的masked语言模型和下句预测任务，训练数据就长这种样子。

4.3.5 BERT对输入、输出部分的处理

BERT的输入部分是个线性序列，两个句子之间通过分隔符「SEP」分割，最前面是起始标识「CLS」，每个单词有三个embedding：

单词embedding，这个就是我们之前一直提到的单词embedding，值得一提的是，有的单词会拆分成一组有限的公共子词单元，例如下图示例中‘playing’被拆分成了‘play’和‘ing’；
句子embedding，用于区分两个句子，例如B是否是A的下文（对话场景，问答场景等）；
位置信息embedding，句子有前后顺序，组成句子的单词也有前后顺序，否则不通顺杂乱无章就是零散单词而非语句了，所以单词顺序是很重要的特征，要对位置信息进行编码

把单词对应的三个embedding叠加（没错，直接相加），就形成了BERT的输入。

至于BERT在预训练的输出部分如何组织，可以参考上图的注释。

我们说过Bert效果特别好，那么到底是什么因素起作用呢？如上图所示，对比试验可以证明，跟GPT相比，双向语言模型起到了最主要的作用，对于那些需要看到下文的任务来说尤其如此。而预测下个句子来说对整体性能来说影响不算太大，跟具体任务关联度比较高。

更多关于BERT输入问题的细节，可以参看参看文献13或20。

4.3.6 BERT总结与评价：借鉴多个模型设计的集大成者

BERT的横空出世基本也是NLP模型不断发展、演变的结果，如参考文献7所总结的：

早期的NLP模型基于规则解决问题，比如专家系统，这种方式扩展性差，因为无法通过人来书写所有规则。
之后提出了基于统计学的自然语言处理，早期主要是基于浅层机器学习解决NLP问题。例如，通过马尔科夫模型获得语言模型，通过条件随机场CRF进行词性标注。如果你去看StandFord的NLP工具，里面处理问题的早期方法，都是这类方法。
当深度学习在图像识别领域得到快速发展时，人们也开始将深度学习应用于NLP领域。
首先是Word Embedding。它可以看成是对『单词特征』提取得到的产物，它也是深度学习的副产物。随后，人们又提出了Word2Vec，GloVe等类似预训练的词向量，作为对单词的特征抽象，输入深度学习模型。

其次是RNN。RNN使得神经网络具有时序的特性，这种特性非常适合解决NLP这种词与词之间有顺序的问题。但是，深度学习存在梯度消失问题，这在RNN中尤其明显，于是人们提出了LSTM/GRU等技术，以解决这种梯度消失问题。在2018年以前，LSTM和GRU在NLP技术中占据了绝对统治地位。

当时RNN有个致命的问题，就是训练慢，无法并行处理，这限制了其发展。于是人们想到了是否可以用CNN替代RNN，以解决这个问题。于是人们提出了用1D CNN来解决NLP问题。但是这种方式也有个明显问题，就是丢掉了RNN的时序优势。

除了时序问题，我们还不得不提另外一个关键问题，即注意力Attention。Attention最早用于图像识别领域，然后再被用于NLP领域。

有了Attention技术，我们急需新技术既可以保证并行处理，又可以解决时序问题。于是Transformer腾空出世。它也是BERT的基础之一。

除此之外，ELMO提出的预训练双向语言模型以及GPT提出的单向Tranformer也是最新双向Transformer发展的基础，在《Attention Is All You Need》一文，Transformer上升到另外一个高度。

BERT正是综合以上这些优势提出的方法（预训练 + Fine-Tuning + 双向Transformer，再加上其两个创新点：Masked语言模型、Next Sentence Prediction），可以解决NLP中大部分问题。

更多关于BERT的细节可以查看BERT原始论文（参考文献12），而针对BERT原始论文的解读和BERT的简单实现，则参看参考文献13。

参考文献

国外一牛人Jay Alammar写的图解Word2Vec（如果你打不开英文原文，可看此翻译版）..
Encoder-Decoder 和 Seq2Seq
《如何从RNN起步，一步一步通俗理解LSTM》，July
《深度学习中的注意力机制(2017版)》，张俊林
还是Jay Alammar写的图解transformer（如果你打不开英文原文，可看此：翻译版1）
《说说NLP中的预训练技术发展史：从Word Embedding到Bert模型》，张俊林
深度学习：前沿技术-从Attention,Transformer,ELMO,GPT到BERT
自然语言处理中的Transformer和BERT
超细节的BERT/Transformer知识点
《The Illustrated GPT-2 (Visualizing Transformer Language Models)》（翻译版1 翻译版2）
Transformer结构及其应用详解--GPT、BERT、MT-DNN、GPT-2
BERT原始论文及与一翻译版本的对照阅读，注意翻译有些小问题，所以建议对照阅读
NLP陈博士：从BERT原始论文看BERT的原理及实现
NLP陈博士：Transformer通用特征提取器，和上面这两个公开课值得仔细学习
CNN笔记：通俗理解卷积神经网络，July
如何通俗理解Word2Vec
如何理解反向传播算法BackPropagation
词向量经典模型：从word2vec、glove、ELMo到BERT
《预训练语言模型》，电子工业出版社
【理论篇】是时候彻底弄懂BERT模型了(收藏)

后记

从10.19日起，除了日常工作或去高校谈合作外，每天1/3的时间都在写这篇BERT笔记(晚上+白天一两个小时，每天如此)。行文过程中，因为各种查阅资料，自己之前一些比较模糊的细节逐渐清晰。

本笔记的编写基本可以分为两大阶段：

第一大段，侧重通俗，为了尽可能把本笔记写通俗，故参看了网上各种资料，但因为编写的初期对相关模型的理解还不是特别深刻但又想通俗全面的情况下，导致文章越写越长，到了3.6万字；
第二阶段，提炼精华，通过我司七月在线两个公开课视频最终提炼各个模型的要点（这些视频讲解细致透彻甚至有高屋建瓴之感，详见参考文献13和14），才把本文篇幅控制住了，最终3万字左右

本文初稿自1024发布之后，陆续进行了多轮大修；未来一两月，本文会进行多轮中修；未来一两年，本文会进行多轮小修。还是那句话，竭尽全力，让本文成为每一个初学者都能看下去且完全看懂的通俗笔记，不至于各种卡壳而中断阅读。

有啥问题，欢迎随时留言或指正，thanks。

转载：https://blog.csdn.net/v_JULY_v/article/details/127411638

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