Masked LM革命:解析BERT如何用15%掩码率颠覆NLP预训练

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本文全面解析BERT的核心机制,深入讲解Masked Language Modeling和Next Sentence Prediction预训练任务,通过数学原理、架构设计和代码实现揭示BERT如何学习通用语言表示。

一、BERT核心思想:双向上下文建模

1.1 传统语言模型的局限性

1.2 BERT的创新突破

ini 复制代码
import torch
from transformers import BertModel, BertTokenizer
# 加载预训练BERT模型
model = BertModel.from_pretrained('bert-base-uncased')
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased')
# 示例文本
text = "The cat sat on the mat."
inputs = tokenizer(text, return_tensors='pt')
# 前向传播
outputs = model(**inputs)
last_hidden_states = outputs.last_hidden_state
print("输入文本:", text)
print("词嵌入形状:", last_hidden_states.shape)  # [batch_size, seq_len, hidden_size]

BERT核心创新:

  • 深度双向Transformer:同时利用左右上下文

  • 预训练+微调范式:统一架构适应多任务

  • 无监督预训练:利用大规模未标注数据

  • 上下文相关表示:相同词在不同语境有不同表示

二、BERT架构详解

2.1 模型架构组成

shell 复制代码
from transformers import BertConfig
# 查看BERT-base配置
config = BertConfig.from_pretrained('bert-base-uncased')
print(config)
# 架构关键参数:
# hidden_size=768        # 隐藏层维度
# num_hidden_layers=12   # Transformer层数
# num_attention_heads=12 # 注意力头数
# intermediate_size=3072 # FFN中间层维度
# max_position_embeddings=512 # 最大位置编码

BERT模型规格:

2.2 输入表示

ini 复制代码
# 输入嵌入可视化
input_ids = inputs['input_ids']
token_type_ids = inputs['token_type_ids']
attention_mask = inputs['attention_mask']
# 获取各组成部分
token_embeddings = model.embeddings.word_embeddings(input_ids)
position_embeddings = model.embeddings.position_embeddings(torch.arange(input_ids.size(1)))
segment_embeddings = model.embeddings.token_type_embeddings(token_type_ids)
# 组合嵌入
embeddings = token_embeddings + position_embeddings + segment_embeddings
embeddings = model.embeddings.LayerNorm(embeddings)
embeddings = model.embeddings.dropout(embeddings)
print("词嵌入形状:", token_embeddings.shape)
print("位置嵌入形状:", position_embeddings.shape)
print("段落嵌入形状:", segment_embeddings.shape)
print("最终嵌入形状:", embeddings.shape)

BERT输入嵌入:

Token Embeddings:词嵌入(WordPiece分词)

Position Embeddings:位置编码(学习得到)

Segment Embeddings:段落标记(区分句子A/B)

css 复制代码
[CLS] Sentence A [SEP] Sentence B [SEP]

三、Masked Language Modeling (MLM)

3.1 MLM原理与实现

ini 复制代码
from transformers import BertForMaskedLM
# 加载MLM模型
mlm_model = BertForMaskedLM.from_pretrained('bert-base-uncased')
# 掩码示例
masked_text = "The cat [MASK] on the mat."
inputs = tokenizer(masked_text, return_tensors='pt')
# 预测掩码位置
with torch.no_grad():
    outputs = mlm_model(**inputs)
    logits = outputs.logits
    
# 获取掩码位置索引
mask_token_index = (inputs.input_ids == tokenizer.mask_token_id)[0].nonzero(as_tuple=True)[0]
# 预测前5个候选
predicted_tokens = logits[0, mask_token_index].topk(5).indices[0].tolist()
predicted_words = [tokenizer.decode([token]) for token in predicted_tokens]
print(f"掩码预测: '{masked_text}' → {predicted_words}")
# 典型输出: ['sat', 'sits', 'rested', 'lay', 'was']

3.2 MLM训练策略

ini 复制代码
def mlm_mask_tokens(inputs, tokenizer, mlm_probability=0.15):
    """BERT动态掩码策略"""
    labels = inputs.clone()
    probability_matrix = torch.full(labels.shape, mlm_probability)
    
    # 特殊标记不掩码
    special_tokens_mask = [
        tokenizer.get_special_tokens_mask(val, already_has_special_tokens=True) 
        for val in labels.tolist()
    ]
    special_tokens_mask = torch.tensor(special_tokens_mask, dtype=torch.bool)
    probability_matrix.masked_fill_(special_tokens_mask, value=0.0)
    
    # 生成掩码索引
    masked_indices = torch.bernoulli(probability_matrix).bool()
    labels[~masked_indices] = -100  # 损失函数忽略
    
    # 80%替换为[MASK]
    indices_replaced = torch.bernoulli(torch.full(labels.shape, 0.8)).bool() & masked_indices
    inputs[indices_replaced] = tokenizer.mask_token_id
    
    # 10%随机替换
    indices_random = torch.bernoulli(torch.full(labels.shape, 0.5)).bool() 
    indices_random = indices_random & masked_indices & ~indices_replaced
    random_words = torch.randint(len(tokenizer), labels.shape, dtype=torch.long)
    inputs[indices_random] = random_words[indices_random]
    
    return inputs, labels
# 示例应用
original_inputs = torch.tensor([[101, 2023, 2003, 1037, 2307, 1029, 102]])
masked_inputs, mlm_labels = mlm_mask_tokens(original_inputs.clone(), tokenizer)
print("原始输入:", tokenizer.decode(original_inputs[0]))
print("掩码后输入:", tokenizer.decode(masked_inputs[0]))
print("MLM标签:", mlm_labels.tolist())

MLM掩码策略:

四、Next Sentence Prediction (NSP)

4.1 NSP原理与实现

ini 复制代码
from transformers import BertForNextSentencePrediction
# 加载NSP模型
nsp_model = BertForNextSentencePrediction.from_pretrained('bert-base-uncased')
# 创建句子对
sentence_A = "The cat sat on the mat."
sentence_B = "It was very comfortable."
sentence_C = "The sky is blue today."
# 准备输入
inputs_AB = tokenizer(sentence_A, sentence_B, return_tensors='pt')
inputs_AC = tokenizer(sentence_A, sentence_C, return_tensors='pt')
# 预测关系
with torch.no_grad():
    outputs_AB = nsp_model(**inputs_AB)
    outputs_AC = nsp_model(**inputs_AC)
# 解析结果
def parse_nsp(output):
    probabilities = torch.softmax(output.logits, dim=1)
    return probabilities[0][0].item()  # IsNextSentence概率
print(f"句子对A-B相关概率: {parse_nsp(outputs_AB):.2f}")
print(f"句子对A-C相关概率: {parse_nsp(outputs_AC):.2f}")
# 典型输出: A-B: 0.98, A-C: 0.02

4.2 NSP训练数据构建

python 复制代码
import random
def create_nsp_examples(sentences):
    """创建NSP训练样本"""
    examples = []
    for i in range(len(sentences)):
        # 50%正样本:连续句子
        if i < len(sentences)-1 and random.random() > 0.5:
            next_sentence = sentences[i+1]
            label = 1  # 连续
        # 50%负样本:随机句子
        else:
            next_sentence = random.choice(sentences)
            label = 0  # 不连续
        
        examples.append((sentences[i], next_sentence, label))
    
    return examples
# 示例文本
sentences = [
    "The cat sat on the mat.",
    "It seemed very comfortable.",
    "Dogs are loyal animals.",
    "Cats are more independent.",
    "The sky was clear and blue."
]
# 创建样本
nsp_examples = create_nsp_examples(sentences)
for ex in nsp_examples[:3]:
    print(f"句子A: {ex[0]}\n句子B: {ex[1]}\n标签: {'相关' if ex[2] else '不相关'}\n")

NSP输入格式:

css 复制代码
[CLS] Sentence A [SEP] Sentence B [SEP]

五、预训练任务联合优化

5.1 联合训练目标

ini 复制代码
class BertPretrainingLoss(nn.Module):
    """BERT预训练损失函数"""
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.mlm_loss = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=-100)
        self.nsp_loss = nn.CrossEntropyLoss()
    
    def forward(self, mlm_logits, nsp_logits, mlm_labels, nsp_labels):
        # MLM损失
        mlm_loss = self.mlm_loss(
            mlm_logits.view(-1, mlm_logits.size(-1)), 
            mlm_labels.view(-1)
        )
        
        # NSP损失
        nsp_loss = self.nsp_loss(nsp_logits, nsp_labels)
        
        return mlm_loss + nsp_loss, mlm_loss, nsp_loss
# 模拟损失计算
batch_size = 32
seq_len = 128
vocab_size = 30522
mlm_logits = torch.randn(batch_size, seq_len, vocab_size)
nsp_logits = torch.randn(batch_size, 2)
mlm_labels = torch.full((batch_size, seq_len), -100)  # 部分位置有标签
mlm_labels[0, 5] = 2023  # 示例标签
mlm_labels[1, 7] = 1037
nsp_labels = torch.randint(0, 2, (batch_size,))  # 二分类标签
loss_fn = BertPretrainingLoss()
total_loss, mlm_loss, nsp_loss = loss_fn(mlm_logits, nsp_logits, mlm_labels, nsp_labels)
print(f"总损失: {total_loss.item():.4f}, MLM损失: {mlm_loss.item():.4f}, NSP损失: {nsp_loss.item():.4f}")

5.2 预训练关键参数

六、BERT知识迁移:微调实战

6.1 文本分类任务

ini 复制代码
from transformers import BertForSequenceClassification
from datasets import load_dataset
# 加载数据集
dataset = load_dataset('glue', 'sst2')
train_dataset = dataset['train']
# 初始化模型
model = BertForSequenceClassification.from_pretrained(
    'bert-base-uncased', 
    num_labels=2  # 二分类
)
# 微调训练
optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=2e-5)
for epoch in range(3):
    total_loss = 0
    for i in range(0, len(train_dataset), 32):
        # 获取批次数据
        batch = train_dataset[i:i+32]
        inputs = tokenizer(
            batch['sentence'], 
            padding=True, 
            truncation=True, 
            return_tensors='pt'
        )
        labels = torch.tensor(batch['label'])
        
        # 前向传播
        outputs = model(**inputs, labels=labels)
        loss = outputs.loss
        
        # 反向传播
        loss.backward()
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()
        
        total_loss += loss.item()
    
    print(f"Epoch {epoch+1}, Avg Loss: {total_loss/(len(train_dataset)//32):.4f}")

6.2 问答任务

ini 复制代码
from transformers import BertForQuestionAnswering
# 加载QA模型
qa_model = BertForQuestionAnswering.from_pretrained('bert-base-uncased')
# 问答示例
context = "Albert Einstein was born in Ulm, Germany in 1879."
question = "Where was Einstein born?"
inputs = tokenizer(
    question, 
    context, 
    return_tensors='pt',
    max_length=512,
    truncation=True
)
# 预测答案
with torch.no_grad():
    outputs = qa_model(**inputs)
    
# 解析结果
start_logits = outputs.start_logits
end_logits = outputs.end_logits
start_idx = torch.argmax(start_logits)
end_idx = torch.argmax(end_logits) + 1
answer_tokens = inputs.input_ids[0][start_idx:end_idx]
answer = tokenizer.decode(answer_tokens)
print(f"问题: {question}")
print(f"答案: {answer}")  # 输出: Ulm, Germany

七、BERT的影响与演进

7.1 BERT的里程碑意义

7.2 BERT系列模型比较

7.3 BERT知识图谱

关键要点总结

MLM核心机制:

ini 复制代码
# 动态掩码实现
inputs, labels = mlm_mask_tokens(inputs, tokenizer, mlm_prob=0.15)

NSP任务本质:

bash 复制代码
# 正样本: (句子A, 句子B, 1)
# 负样本: (句子A, 随机句子, 0)

BERT输入三元组:

复制代码
输入 = 词嵌入 + 位置嵌入 + 段落嵌入

微调最佳实践:

  • 小学习率:2e-5到5e-5
  • 短周期:3-5个epoch
  • 梯度裁剪:防止梯度爆炸
  • 权重衰减:正则化控制

应用领域:

通过深入理解BERT的预训练机制和架构设计,你将掌握现代NLP模型的基石,为学习和应用更先进的预训练模型奠定坚实基础!更多AI大模型应用开发学习视频内容和资料,尽在聚客AI学院

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