NLP里的迁移学习
1.使用预训练好的模型来抽取词、句子的特征，例如word2vec或语言模型
2.不更新预训练好的模型
3.需要构建新的网络来抓取新任务需要的信息：word2vec忽略了时序信息，语言模型只看了一个方向
BERT的动机
1.基于微调的NLP模型
2.预训练的模型抽取了足够多的信息
3.新的任务只需要增加一个简单的输出层
对输入的修改
1.每个样本是一个句子对
2.加入额外的片段嵌入
3.位置编码可学习
预训练任务1：带掩码的语言模型
1.Transformer的编码器是双向，标准语言模型要求单向
2.带掩码的语言模型每次随机（15%）将一些词元换成mask
3.因为微调任务中不出现mask：80%概率下将选中的词元变成mask、10%概率换成一个随机词元、10%保持原有词元
预训练任务2：下一句子预测
1.预测下一个句子对中两个句子是不是相邻
2.训练样本中：50%概率选择相邻句子对、50%概率选择随机句子对
!pip install d2l==0.17.6 ### 很重要，不要下载错了，对于colab
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
get_tokens_and_segments将一个句子或两个句子作为输入，然后返回BERT输入序列的标记及其相应的片段索引。
def get_tokens_and_segments(tokens_a, tokens_b=None):
"""获取输入序列的词元及其片段索引"""
tokens = ['<cls>'] + tokens_a + ['<sep>']
# 0和1分别标记片段A和B
segments = [0] * (len(tokens_a) + 2)
if tokens_b is not None:
tokens += tokens_b + ['<sep>']
segments += [1] * (len(tokens_b) + 1)
return tokens, segments
与TransformerEncoder不同，BERTEncoder使用片段嵌入和可学习的位置嵌入。
class BERTEncoder(nn.Module):
"""BERT编码器"""
def __init__(self, vocab_size, num_hiddens, norm_shape, ffn_num_input,
ffn_num_hiddens, num_heads, num_layers, dropout,
max_len=1000, key_size=768, query_size=768, value_size=768,
**kwargs):
super(BERTEncoder, self).__init__(**kwargs)
self.token_embedding = nn.Embedding(vocab_size, num_hiddens)
self.segment_embedding = nn.Embedding(2, num_hiddens)
self.blks = nn.Sequential()
for i in range(num_layers):
self.blks.add_module(f"{i}", d2l.EncoderBlock(
key_size, query_size, value_size, num_hiddens, norm_shape,
ffn_num_input, ffn_num_hiddens, num_heads, dropout, True))
# 在BERT中，位置嵌入是可学习的，因此我们创建一个足够长的位置嵌入参数
self.pos_embedding = nn.Parameter(torch.randn(1, max_len,
num_hiddens))
def forward(self, tokens, segments, valid_lens):
# 在以下代码段中，X的形状保持不变：（批量大小，最大序列长度，num_hiddens）
X = self.token_embedding(tokens) + self.segment_embedding(segments)
X = X + self.pos_embedding.data[:, :X.shape[1], :]
for blk in self.blks:
X = blk(X, valid_lens)
return X
假设词表大小为10000，为了演示BERTEncoder的前向推断，让我们创建一个实例并初始化它的参数。
vocab_size, num_hiddens, ffn_num_hiddens, num_heads = 10000, 768, 1024, 4
norm_shape, ffn_num_input, num_layers, dropout = [768], 768, 2, 0.2
encoder = BERTEncoder(vocab_size, num_hiddens, norm_shape, ffn_num_input,
ffn_num_hiddens, num_heads, num_layers, dropout)
我们将tokens定义为长度为8的2个输入序列，其中每个词元是词表的索引。使用输入tokens的BERTEncoder的前向推断返回编码结果，其中每个词元由向量表示，其长度由超参数num_hiddens定义。此超参数通常称为Transformer编码器的隐藏大小（隐藏单元数）。
tokens = torch.randint(0, vocab_size, (2, 8))
segments = torch.tensor([[0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1], [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1]])
encoded_X = encoder(tokens, segments, None)
encoded_X.shape
torch.Size([2, 8, 768])
下面的MaskLM类来预测BERT预训练的掩蔽语言模型任务中的掩蔽标记。预测使用单隐藏层的多层感知机（self.mlp）。在前向推断中，它需要两个输入：BERTEncoder的编码结果和用于预测的词元位置。输出是这些位置的预测结果。
class MaskLM(nn.Module):
"""BERT的掩蔽语言模型任务"""
def __init__(self, vocab_size, num_hiddens, num_inputs=768, **kwargs):
super(MaskLM, self).__init__(**kwargs)
self.mlp = nn.Sequential(nn.Linear(num_inputs, num_hiddens),
nn.ReLU(),
nn.LayerNorm(num_hiddens),
nn.Linear(num_hiddens, vocab_size))
def forward(self, X, pred_positions):
num_pred_positions = pred_positions.shape[1]
pred_positions = pred_positions.reshape(-1)
batch_size = X.shape[0]
batch_idx = torch.arange(0, batch_size)
# 假设batch_size=2，num_pred_positions=3
# 那么batch_idx是np.array（[0,0,0,1,1,1]）
batch_idx = torch.repeat_interleave(batch_idx, num_pred_positions)
masked_X = X[batch_idx, pred_positions]
masked_X = masked_X.reshape((batch_size, num_pred_positions, -1))
mlm_Y_hat = self.mlp(masked_X)
return mlm_Y_hat
为了演示MaskLM的前向推断，我们创建了其实例mlm并对其进行了初始化。回想一下，来自BERTEncoder的正向推断encoded_X表示2个BERT输入序列。我们将mlm_positions定义为在encoded_X的任一输入序列中预测的3个指示。mlm的前向推断返回encoded_X的所有掩蔽位置mlm_positions处的预测结果mlm_Y_hat。对于每个预测，结果的大小等于词表的大小。
mlm = MaskLM(vocab_size, num_hiddens)
mlm_positions = torch.tensor([[1, 5, 2], [6, 1, 5]])
mlm_Y_hat = mlm(encoded_X, mlm_positions)
mlm_Y_hat.shape
torch.Size([2, 3, 10000])
通过掩码下的预测词元mlm_Y的真实标签mlm_Y_hat，我们可以计算在BERT预训练中的遮蔽语言模型任务的交叉熵损失。
mlm_Y = torch.tensor([[7, 8, 9], [10, 20, 30]])
loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')
mlm_l = loss(mlm_Y_hat.reshape((-1, vocab_size)), mlm_Y.reshape(-1))
mlm_l.shape
torch.Size([6])
下一句预测（Next Sentence Prediction）
class NextSentencePred(nn.Module):
"""BERT的下一句预测任务"""
def __init__(self, num_inputs, **kwargs):
super(NextSentencePred, self).__init__(**kwargs)
self.output = nn.Linear(num_inputs, 2)
def forward(self, X):
# X的形状：(batchsize,num_hiddens)
return self.output(X)
NextSentencePred实例的前向推断返回每个BERT输入序列的二分类预测。
encoded_X = torch.flatten(encoded_X, start_dim=1)
# NSP的输入形状:(batchsize，num_hiddens)
nsp = NextSentencePred(encoded_X.shape[-1])
nsp_Y_hat = nsp(encoded_X)
nsp_Y_hat.shape
torch.Size([2, 2])
还可以计算两个二元分类的交叉熵损失。
nsp_y = torch.tensor([0, 1])
nsp_l = loss(nsp_Y_hat, nsp_y)
nsp_l.shape
torch.Size([2])
整合编码
class BERTModel(nn.Module):
"""BERT模型"""
def __init__(self, vocab_size, num_hiddens, norm_shape, ffn_num_input,
ffn_num_hiddens, num_heads, num_layers, dropout,
max_len=1000, key_size=768, query_size=768, value_size=768,
hid_in_features=768, mlm_in_features=768,
nsp_in_features=768):
super(BERTModel, self).__init__()
self.encoder = BERTEncoder(vocab_size, num_hiddens, norm_shape,
ffn_num_input, ffn_num_hiddens, num_heads, num_layers,
dropout, max_len=max_len, key_size=key_size,
query_size=query_size, value_size=value_size)
self.hidden = nn.Sequential(nn.Linear(hid_in_features, num_hiddens),
nn.Tanh())
self.mlm = MaskLM(vocab_size, num_hiddens, mlm_in_features)
self.nsp = NextSentencePred(nsp_in_features)
def forward(self, tokens, segments, valid_lens=None,
pred_positions=None):
encoded_X = self.encoder(tokens, segments, valid_lens)
if pred_positions is not None:
mlm_Y_hat = self.mlm(encoded_X, pred_positions)
else:
mlm_Y_hat = None
# 用于下一句预测的多层感知机分类器的隐藏层，0是“<cls>”标记的索引
nsp_Y_hat = self.nsp(self.hidden(encoded_X[:, 0, :]))
return encoded_X, mlm_Y_hat, nsp_Y_hat