探索大语言模型（LLM）：Transformer 与 BERT从原理到实践

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前言

在自然语言处理（NLP）的发展历程中，Transformer 和 BERT 无疑是具有里程碑意义的技术。它们的出现，彻底改变了 NLP 领域的研究和应用格局。本文将深入探讨 Transformer 和 BERT 的背景、核心公式推导，并提供代码实现，帮助大家更好地理解和应用这两项技术。

一、背景介绍

在 Transformer 出现之前，循环神经网络（RNN）及其变体长短时记忆网络（LSTM）、门控循环单元（GRU）等在 NLP 任务中占据主导地位。RNN 能够处理序列数据，通过隐状态传递信息，从而捕捉上下文依赖关系。然而，RNN 存在严重的梯度消失和梯度爆炸问题，使得训练深层网络变得困难。此外，RNN 的顺序计算特性导致其难以并行化，处理长序列时效率低下。

为了解决这些问题，2017 年谷歌团队在论文《Attention Is All You Need》中提出了 Transformer 架构。Transformer 完全摒弃了循环结构，采用多头注意力机制（Multi-Head Attention）替代 RNN，实现了并行计算，大幅提高了训练效率。同时，多头注意力机制能够更好地捕捉序列中的长距离依赖关系，在机器翻译、文本生成等多个 NLP 任务中取得了优异的性能。

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）则是基于 Transformer 的预训练语言模型，由谷歌在 2018 年提出。与传统的语言模型（如 Word2Vec、GPT）不同，BERT 采用双向 Transformer 编码器，能够同时利用上下文信息，学习到更丰富的语义表示。通过在大规模文本数据上进行预训练，并在特定任务上进行微调，BERT 在问答系统、文本分类、命名实体识别等众多 NLP 任务中刷新了当时的最优成绩，开启了预训练模型在 NLP 领域的新时代。

二、核心公式推导

1. 注意力机制（Attention Mechanism）

注意力机制的核心思想是根据输入序列的不同部分对当前任务的重要程度，分配不同的权重，从而聚焦于关键信息。其计算过程如下：
给定查询向量 (Q)，键向量 (K) 和值向量 (V)，注意力分数 (scores) 计算为：
$$scores=\frac{Q{K}^T}{\sqrt{d_k}}$$
其中，$d_k$ 是键向量 $K$ 的维度，$\sqrt{d_k}$ 用于缩放，防止分数过大导致 softmax 函数梯度消失。
通过 softmax 函数对注意力分数进行归一化，得到注意力权重 (attention weights)：
$$attention\_weights=softmax(scores)$$
最后，加权求和得到注意力输出$Attention(Q,K,V)$：
$$Attention(Q,K,V)=attention\_weights\cdot V$$

2. 多头注意力机制（Multi-Head Attention）

多头注意力机制通过多个独立的注意力头并行计算，从不同角度捕捉输入序列的特征，然后将各个头的输出拼接并线性变换得到最终输出。具体计算过程如下：
首先，将输入$X$分别通过三个线性变换得到$Q$，$K$，$V$：
$$\begin{gathered} Q=X{W}^Q \\ K=X{W}^K \\ V=X{W}^V \end{gathered}$$
其中，$W^Q$，$W^K$，$W^V$ 是可学习的权重矩阵。
然后，将$Q$，$K$，$V$ 分割成 $h$ 个头部（head），每个头部的维度为 $d_{k/h}$，$d_{v/h}$：
$$\begin{gathered} Q_i=Q_{(i-1)d_{k/h}:i{d}_{k/h}} \\ {K}_i=K_{(i-1)d_{k/h}:i{d}_{k/h}} \\ {V}_i=V_{(i-1)d_{v/h}:i{d}_{v/h}} \end{gathered}$$
对每个头部分别计算注意力输出：
$$hea{d}_i=Attention(Q_i,K_i,V_i)$$
将所有头部的输出拼接起来：
$$concat(hea{d}_1,...,hea{d}_h)$$
最后，通过一个线性变换得到多头注意力机制的最终输出：
$$MultiHeadAttention(X)=W^O\cdot concat(hea{d}_1,...,hea{d}_h)$$
其中，$W^O$是可学习的权重矩阵。

3. Transformer 编码器（Transformer Encoder）

Transformer 编码器由多个相同的层堆叠而成，每个层包含两个子层：多头注意力机制子层和前馈神经网络子层。每个子层都使用了残差连接（Residual Connection）和层归一化（Layer Normalization）。
输入 (X) 首先经过多头注意力机制子层：
$$X_1=LayerNorm(X+MultiHeadAttention(X))$$
然后，$X_1$ 经过前馈神经网络子层：
$$X_2=LayerNorm(X_1+FFN(X_1))$$
其中，$FFN(X)$是前馈神经网络，通常由两个线性层和一个激活函数组成：
$$FFN(X)=max(0,X{W}_1+b_1)W_2+b_2$$

4. BERT 的预训练任务

BERT 采用了两个预训练任务：掩码语言模型（Masked Language Model，MLM）和下一句预测（Next Sentence Prediction，NSP）。
在掩码语言模型任务中，随机将输入文本中的一些单词替换为 [MASK] 标记，然后让模型预测这些被掩码的单词。例如，对于句子 “I love natural language processing”，可能会将 “love” 替换为 [MASK]，模型需要根据上下文预测出 “love”。
下一句预测任务用于学习句子之间的关系。给定一对句子，判断第二个句子是否是第一个句子的下一句。例如，句子对 “今天天气很好。我们去公园散步吧。” 标签为正例，而 “今天天气很好。我喜欢吃苹果。” 标签为负例。
BERT 通过最小化这两个任务的损失函数进行预训练，损失函数为：
$$L=L_{MLM}+L_{NSP}$$

三、代码实现

下面我们使用 PyTorch 实现一个简单的 Transformer 编码器和 BERT 预训练模型。

1. 注意力机制

import torch
import torch.nn as nn


def scaled_dot_product_attention(Q, K, V):
    d_k = K.size(-1)
    scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-2, -1)) / torch.sqrt(torch.tensor(d_k, dtype=torch.float32))
    attention_weights = nn.functional.softmax(scores, dim=-1)
    return torch.matmul(attention_weights, V)

2. 多头注意力机制

class MultiHeadAttention(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, num_heads):
        super(MultiHeadAttention, self).__init__()
        self.num_heads = num_heads
        self.d_model = d_model
        self.depth = d_model // num_heads

        self.WQ = nn.Linear(d_model, d_model)
        self.WK = nn.Linear(d_model, d_model)
        self.WV = nn.Linear(d_model, d_model)
        self.WO = nn.Linear(d_model, d_model)

    def split_heads(self, x):
        batch_size = x.size(0)
        return x.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.depth).transpose(1, 2)

    def forward(self, X):
        Q = self.split_heads(self.WQ(X))
        K = self.split_heads(self.WK(X))
        V = self.split_heads(self.WV(X))

        attention = scaled_dot_product_attention(Q, K, V)
        concatenated_attention = attention.transpose(1, 2).contiguous().view(-1, self.d_model)
        return self.WO(concatenated_attention)

3. Transformer 编码器层

class TransformerEncoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, num_heads):
        super(TransformerEncoderLayer, self).__init__()
        self.attention = MultiHeadAttention(d_model, num_heads)
        self.ffn = nn.Sequential(
            nn.Linear(d_model, d_model * 4),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(d_model * 4, d_model)
        )
        self.layernorm1 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.layernorm2 = nn.LayerNorm(d_model)

    def forward(self, X):
        attn_output = self.attention(X)
        X = self.layernorm1(X + attn_output)
        ffn_output = self.ffn(X)
        return self.layernorm2(X + ffn_output)

4. Transformer 编码器

class TransformerEncoder(nn.Module):
    def __init__(self, num_layers, d_model, num_heads):
        super(TransformerEncoder, self).__init__()
        self.layers = nn.ModuleList([TransformerEncoderLayer(d_model, num_heads) for _ in range(num_layers)])

    def forward(self, X):
        for layer in self.layers:
            X = layer(X)
        return X

5. BERT 模型

class BERT(nn.Module):
    def __init__(self, vocab_size, num_layers, d_model, num_heads):
        super(BERT, self).__init__()
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, d_model)
        self.transformer = TransformerEncoder(num_layers, d_model, num_heads)
        self.mlm_head = nn.Linear(d_model, vocab_size)
        self.nsp_head = nn.Linear(d_model, 2)

    def forward(self, X, masked_indices=None):
        X = self.embedding(X)
        X = self.transformer(X)

        if masked_indices is not None:
            masked_X = torch.gather(X, 1, masked_indices.unsqueeze(-1).repeat(1, 1, X.size(-1)))
            mlm_logits = self.mlm_head(masked_X)
        else:
            mlm_logits = None

        nsp_logits = self.nsp_head(X[:, 0])
        return mlm_logits, nsp_logits

以上代码实现了 Transformer 编码器和 BERT 模型的基本结构。在实际应用中，还需要进行数据预处理、模型训练和评估等步骤。

四、总结

Transformer 和 BERT 作为 NLP 领域的重要技术，以其独特的架构和强大的性能，推动了 NLP 技术的快速发展。通过本文对 Transformer 和 BERT 的背景介绍、公式推导和代码实现，相信大家对它们有了更深入的理解。随着研究的不断深入，Transformer 和 BERT 的应用场景也在不断拓展，未来它们将在更多领域发挥重要作用。希望本文能为大家的学习和研究提供帮助，欢迎大家在评论区交流讨论。