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問題

BERT在許多自然語言理解（NLU）任務(wù)中取得了驚人的成果，但它的潛力還有待充分挖掘。目前很少有如何能進(jìn)一步提高BERT性能的研究，因此，如何通過一些技巧和方法最大限度的提升BERT在文本分類任務(wù)中的性能是此次研究的重點(diǎn)。

?目?標(biāo)

在使用BERT做 text classification的時(shí)候，我們利用[CLS]的hidden state輸出做為整個(gè)輸入文本的representation，通過一層task specific層（通常是Linear Layer），再經(jīng)過Softmax層得到概率，輸出概率如下所示，其中的

是task specific層的參數(shù)，最后通過最大化log-probability of correct label優(yōu)化模型參數(shù)。

方?法

How to Fine-Tune BERT for Text Classification?[1]這篇論文從四個(gè)方面對BERT（BERT base）進(jìn)行不同形式的pretrain和fine-tune，并通過實(shí)驗(yàn)展示不同形式的pretrain和fine-tune之間的效果對比。

一、Fine-Tune策略

當(dāng)我們在特定任務(wù)上fine-tune BERT的時(shí)候，往往會(huì)有多種方法利用Bert，舉個(gè)例子：BERT的不同層往往代表著對不同語義或者語法特征的提取，并且對于不同的任務(wù)，不同層表現(xiàn)出來的重要性和效果往往不太一樣。因此如何利用類似于這些信息，以及如何選擇一個(gè)最優(yōu)的優(yōu)化策略和學(xué)習(xí)率將會(huì)影響最終fine-tune 的效果。

對于長文本的處理

①　截?cái)喾椒?/span>（不考慮[CLS]、[SEP]）：

1.保留頭部（head-only）：保留頭部最開始的510個(gè)tokens

2.保留尾部（tail-only）：保留尾部最后的510個(gè)tokens

3.頭部加尾部（head+tail）：頭部128+尾部382

②　分段的方法：

首先將輸入文本（長度為L）分成k = L/510個(gè)小段落，將它們依次輸入BERT得到k個(gè)文本段落的表示。每個(gè)段落的representation是最后一層[CLS]的hidden state，并分別使用mean pooling, max pooling and self-attention來合并所有段落的representation。上述兩種處理方法在IMDb和Chinese Sougou News datasets上的實(shí)驗(yàn)效果如下所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采取head+tail的方式處理長文本更具優(yōu)勢。

Fine-tune層的選擇

BERT的每一層捕獲輸入文本的不同特性，Table 3顯示了在不同層Fine-tune BERT時(shí)performance的對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BERT的最后一層更能表征下游任務(wù)（Layer-11表示fit前12層），在對其進(jìn)行Fine-tune時(shí)效果也是最好的。

學(xué)習(xí)率優(yōu)化策略

通常BERT模型的低層包含更general的信息，而靠近頂部的層偏向于學(xué)習(xí)下游任務(wù)的相關(guān)知識(shí)，因此可以在頂層賦予較大的學(xué)習(xí)率，越往低層學(xué)習(xí)率越小。因此，我們的策略如公式（1）所示，其中

代表第l層的學(xué)習(xí)率，我們設(shè)定base learning rate為

，代表頂層的學(xué)習(xí)率，其他層的策略如公式（2）所示，其中

是衰減系數(shù)，如果

，那么每層的學(xué)習(xí)率是一樣的，如果

，那么越往下的層學(xué)習(xí)率就越低。

??? ?

?????（1）

? ???

（2）

災(zāi)難性遺忘問題

災(zāi)難性遺忘（Catastrophic forgetting）是transfer learning中常見的問題，即在學(xué)習(xí)新知識(shí)的過程中，預(yù)訓(xùn)練的知識(shí)有可能被遺忘或者抹去。因此，本文探討了BERT是否也存在這種災(zāi)難性遺忘問題。如下圖所示，當(dāng)采用較低的學(xué)習(xí)率時(shí)（文中采用2e-5），BERT在訓(xùn)練的過程中能夠克服災(zāi)難性遺忘問題，而當(dāng)學(xué)習(xí)率較大時(shí)（文中采用4e-4），就會(huì)失去這種能力。

二、進(jìn)一步預(yù)訓(xùn)練

BERT預(yù)訓(xùn)練模型是在通用領(lǐng)域（General Domain）上做的Training，很自然的一個(gè)想法就是在目標(biāo)域（Target Domain）進(jìn)一步pretrain。

任務(wù)內(nèi)進(jìn)一步預(yù)訓(xùn)練：

任務(wù)內(nèi)（within-task）pretrain是指在任務(wù)域（通常指具體的任務(wù)，比如某一金融細(xì)分領(lǐng)域的文本分類任務(wù)）上對模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，預(yù)訓(xùn)練的方式仍然是unsupervised masked language model and next sentence prediction tasks，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，任務(wù)內(nèi)領(lǐng)域的預(yù)訓(xùn)練可以提升模型的效果，但在進(jìn)一步預(yù)訓(xùn)練時(shí)需要注意training step，否則效果會(huì)變差。

領(lǐng)域內(nèi)和交叉域內(nèi)的進(jìn)一步預(yù)訓(xùn)練：

In-Domain指的是某一領(lǐng)域內(nèi)數(shù)據(jù)，比如金融領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域等等，該領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分布往往和任務(wù)內(nèi)數(shù)據(jù)分布相似，這里的Cross-Domain在內(nèi)容上可以理解為通用領(lǐng)域，作者通過實(shí)驗(yàn)證明領(lǐng)域內(nèi)（In-Domain）和任務(wù)內(nèi)（Within-Task）的pretrain效果都會(huì)有提升，且通常情況下領(lǐng)域內(nèi)的pretrain效果要好于任務(wù)內(nèi)的pretrain效果，但在交叉域（或者說通用領(lǐng)域）上沒什么提升，理由是BERT預(yù)訓(xùn)練本身就是在通用領(lǐng)域上訓(xùn)練的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如下圖所示，all sentiment/question/topic代表In-Domain pretrain，all代表 Cross-Domain，w/o pretrain代表原始的BERT base 模型。

三、多任務(wù)上的Fine-tune

在多任務(wù)數(shù)據(jù)域（比如多個(gè)文本分類的數(shù)據(jù)集，這樣做的目的是為了充分利用已有的分類任務(wù)數(shù)據(jù)）上做pretrain，然后在target-domain上進(jìn)行fine-tune，也會(huì)提升模型的效果。其中，
BERT-FiT? =? “BERT + Fine-Tuning”.
BERT-CDPT-MFiT-FiT = “BERT + Cross-Domain Pre-Training+Multi-Task Pre-Training+ Fine-Tuning”.（先在交叉域上做pretrain，然后在多任務(wù)域上做pretrain，最后在target-domian上做fine-tune）

四、?少樣本學(xué)習(xí)

BERT pretrain model的一個(gè)優(yōu)勢在于，在下游任務(wù)中，只需要少量的樣本就能fine-tune一個(gè)較好的模型，但是隨著數(shù)據(jù)的增大，在任務(wù)內(nèi)數(shù)據(jù)的pretrain model和通用領(lǐng)域的pretrain model最后fine-tune的效果差不多，其中紅線代表BERT+Fine-tune，即直接利用BERT在target -domain上fine-tune，藍(lán)線代表BERT+ withIn-Task Pre-Training + Fine-Tuning，即先用BERT在within-task域上pretrain，然后在target-domain上fine-tune，這說明了BERT可以利用小數(shù)據(jù)改進(jìn)下游任務(wù)，且小樣本數(shù)據(jù)上fine-tune效果較明顯，當(dāng)然如果能事先在within-task域上做進(jìn)一步的pretrain，再做fine-tune，效果會(huì)更好。

參考文獻(xiàn)

[1] Sun C , Qiu X , Xu Y , et al. How to Fine-Tune BERT for Text Classification?[C]// China National Conference on Chinese Computational Linguistics. Springer, Cham, 2019.


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【NLP】如何在文本分類任務(wù)中Fine-Tune BERT