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再读bert（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）

news 来源：原创 2025/4/26 19:05:02

再读 BERT，仿佛在数字丛林中邂逅一位古老而智慧的先知。初次相见时，惊叹于它以 Transformer 架构为罗盘，在预训练与微调的星河中精准导航，打破 NLP 领域长久以来的迷雾。而如今，书页间跃动的不再仅是 Attention 机制精妙的数学公式，更是一场关于语言本质的哲学思辨 —— 它让我看见，那些被编码的词向量，恰似人类思维的碎片，在双向语境的熔炉中不断重组、淬炼，将离散的文字升华为可被计算的意义。BERT 教会我们，语言从来不是孤立的字符堆砌，而是承载着文化、逻辑与情感的多维载体，每一次模型的迭代与优化，都是人类向理解语言本质更深处的一次虔诚叩问，在这过程中，我们既是技术的创造者，也是语言奥秘的永恒探索者。

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

Github：https://github.com/google-research/bert?tab=readme-ov-file

1.引言与核心创新

背景：

现有预训练模型（如 ELMo、GPT）多基于单向语言模型，限制深层双向表征能力。

创新点：

（1）提出BERT，通过MLM和NSP预训练任务，实现真正的深层双向 Transformer 表征。

（2）证明预训练模型可通过简单微调（仅添加输出层）适配多任务，无需复杂架构设计。

2.模型架构与输入表征

模型结构：

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）由Google 提出并基于 Transformer 架构进行开发的预训练语言模型。如图所示， BERT 模型是由多个 Transformer 的编码器逐层叠加而成。 BERT 模型包括两种标准配置，其中 Base 版本包含 12 层 Transformer 编码器，而 Large版本包含 24 层 Transformer 编码器，其参数总数分别为 110M 和 340M。

BERT 模型的关键特点是能够全方位地捕捉上下文信息。与传统的单向模型（GPT-1 等自回归模型）相比， BERT 能够从两个方向考虑上下文，涵盖了某个词元之前和之后的信息。传统的模型往往只从一个固定的方向考虑上下文，这在处理复杂的语义关系和多变的句子结构时可能会遇到困难。例如，在问答系统中，单一方向可能导致模型不能完全理解问题的上下文，从而影响其回答的准确性。此外，在情感分析、关系抽取、语义角色标注、文本蕴涵和共指解析等任务中，单向方法可能无法充分捕获复杂的语义关系和上下文依赖，限制了其性能。为了应对这些挑战， BERT 通过预测遮蔽的词元来全面理解句子中的上下文，从而在许多 NLP 任务中实现了显著的性能增强。

Transformer 配置：

模型	层数 (L)	隐层大小 (H)	注意力头 (A)	参数总量
BERT BASE	12	768	12	110M
BERT LARGE	24	1024	16	340M

输入表征：

采用WordPiece 分词（30k 词汇表），添加特殊 token：

[CLS]：序列分类标识，对应隐层用于分类任务。

[SEP]：句子对分隔符，段嵌入（Sentence A/B）区分句子归属。

输入嵌入 = 词嵌入 + 段嵌入 + 位置嵌入。

3.训练任务设计

BERT 模型的训练过程通常分为预训练（Pre-training）与微调训练（Finetuning）等两部分。

3.1 预训练

在预训练阶段， BERT 模型在大量未标注的文本数据上进行训练，目标是学习文本之间的深层次关系和模式。具体来说，它使用了两种训练策略：

i）掩码语言模型 (Masked Language Model)；

ii）预测下一句（Next Sentence Prediction）。

任务 1：掩码语言模型（MLM）

掩码策略：随机选择 15% tokens，其中：

80% 替换为[MASK]（如my dog is [MASK]），

10% 替换为随机词（如my dog is apple），

10% 保留原词（如my dog is hairy）。

目标：通过双向注意力预测原词，缓解预训练与微调时[MASK]未出现的不匹配问题。

任务 2：下一句预测（NSP）

数据生成：50% 真实连续句对（标签 IsNext），50% 随机句对（标签 NotNext）。

目标：通过[CLS]隐层预测句对关系，提升句子级语义理解（如 QA、NLI 任务）。

3.2 微调

微调训练阶段是在预训练的 BERT 模型基础上，针对特定任务进行的训练。这一阶段使用具有标签的数据，如情感分析或命名实体识别数据。通过在预训练模型上加载特定任务的数据进行微调， BERT 能够在各种下游任务中达到令人满意的效果。

BERT 模型微调训练的目的是使其具备处理各种下游任务的能力，微调的任务包括：句子对分类任务、单句分类任务、问答任务和命名实体识别等。

微调训练中为了使 BERT 适应各种 NLP 任务，模型首先调整其输入和输出。例如，在基于句子对的分类任务中，假设要判断句子 A“这家餐厅的食物很美味。”和句子 B“菜品口味很棒，值得推荐。”之间的关系，模型的输入是这两个句子的组合，而输出可能是它们的关系分类，例如“相关”或“不相关”。而在命名实体识别任务中，如果输入句子为“任正非是华为的创始人”，输出则是每个词的实体类别，如“任正非”被标记为“PERSON”，“华为”被标记为“ORGANIZATION”。在针对不同的任务，如文本分类、实体识别或问答等，进行微调训练时，会在 BERT 模型上增添一个特定的输出层。这个输出层是根据特定任务的需求设计的。例如，如果是文本分类任务，输出层可能包含少量神经元，每个神经元对应一个类别。同时，通过反向传播对模型参数进行调整。微调的过程就像是对模型进行 “二次训练”。

4.实验结果与 SOTA 突破

GLUE 基准（11 任务）

任务	BERT LARGE 得分	前 SOTA	提升幅度
MNLI（自然语言推理）	86.7%	82.1%（GPT）	+4.6%
QNLI（问答推理）	92.7%	87.4%（GPT）	+5.3%
SST-2（情感分析）	94.9%	91.3%（GPT）	+3.6%
平均得分	82.1%	75.1%（GPT）	+7.0%

SQuAD 问答任务

v1.1（有答案）：单模型 F1 值 93.2，ensemble 达 93.9，超过人类表现（91.2%）。

v2.0（无答案）：F1 值 83.1，较前 SOTA 提升 5.1%，首次接近人类表现（89.5%）。

SWAG 常识推理：BERT LARGE 准确率 86.3%，远超 GPT（78.0%）和人类专家（85.0%）。

5.消融研究与关键发现

NSP 任务的重要性

移除 NSP 后，MNLI 准确率从 84.4% 降至 83.9%，QNLI 从 88.4% 降至 84.9%，证明句子级关系建模对 QA 和 NLI 至关重要。

双向性 vs 单向性

单向模型（LTR，类似 GPT）在 SQuAD F1 值仅 77.8%，远低于 BERT BASE 的 88.5%；添加 BiLSTM 后提升至 84.9%，仍显著落后。

模型规模的影响

增大参数（如从 110M 到 340M）持续提升性能，即使在小数据集任务（如 MRPC，3.5k 训练例）中，BERT LARGE 准确率 70.1%，较 BASE 的 66.4% 提升 3.7%。

6.对比现有方法

与 GPT 对比：
- GPT 为单向 Transformer（仅左到右），BERT 通过 MLM 实现双向，且预训练数据多 3 倍（33 亿词 vs GPT 的 8 亿词）。
- BERT 在 GLUE 平均得分比 GPT 高 7.0%，证明双向性和 NSP 的关键作用。
与 ELMo 对比：
- ELMo 通过拼接单向 LSTM 输出实现双向，为特征基方法；BERT 为微调基，参数效率更高，且深层双向表征更优。

7.关键问题

问题 1：BERT 如何实现深层双向语义表征？

答案：BERT 通过 ** 掩码语言模型（MLM）和下一句预测（NSP）** 任务实现双向表征。MLM 随机掩码 15% 的输入 tokens（80% 替换为 [MASK]、10% 随机词、10% 保留原词），迫使模型利用左右语境预测原词，避免单向模型的局限性；NSP 任务通过判断句对是否连续，学习句子级语义关系，增强模型对上下文依赖的建模能力。

问题 2：BERT 在预训练中如何处理 “掩码 token 未在微调时出现” 的不匹配问题？

答案：BERT 采用混合掩码策略：在 15% 被选中的 tokens 中，仅 80% 替换为 [MASK]，10% 随机替换为其他词，10% 保留原词。这种策略减少了预训练与微调时的分布差异，使模型在微调时更适应未出现 [MASK] 的真实场景，同时通过随机替换和保留原词，增强模型对输入噪声的鲁棒性。

问题 3：模型规模对 BERT 性能有何影响？

答案：增大模型规模（如从 BERT BASE 的 110M 参数到 LARGE 的 340M 参数）显著提升性能，尤其在小数据集任务中优势明显。实验显示，更大的模型在 GLUE 基准的所有任务中均表现更优，MNLI 准确率从 84.6% 提升至 86.7%，MRPC（3.5k 训练例）准确率从 66.4% 提升至 70.1%。这表明，足够的预训练后，更大的模型能学习更丰富的语义表征，即使下游任务数据有限，也能通过微调有效迁移知识。