GPT原理介绍

1.引言

前面我们介绍了ELMo算法的思想,通过在大量的语料上预训练语言模型,然后再将预训练好的模型迁移到具体的下游NLP任务,从而提高模型的能力。但是ELMo预训练的语言模型结构和下游的NLP任务的模型经常会不一致,因此,做迁移学习时经常没法将两者的模型直接进行融合,因此,本文将介绍OpenAI在2018年提出来的一个方法——GPT,该模型在预训练语言模型的基础上,只需要做一些微改即可直接迁移到各种NLP任务中,因此,其迁移能力更强。

2.GPT原理介绍

GPT模型主要包含两个阶段,第一个阶段,先利用大量未标注的语料预训练一个语言模型,接着,在第二个阶段对预训练好的语言模型进行微改,将其迁移到各种有监督的NLP任务,并对参数进行fine-tuning。

2.1 预训练模型(无监督)

给定一个没有标注的大语料,记每一个序列为 U = { u 1 , … , u n } \mathcal{U}=\left\{u_{1}, \dots, u_{n}\right\} U={ u1,,un},GPT通过最大化以下似然函数来训练语言模型:
L 1 ( U ) = ∑ i log ⁡ P ( u i ∣ u i − k , … , u i − 1 ; Θ ) L_{1}(\mathcal{U})=\sum_{i} \log P\left(u_{i} | u_{i-k}, \ldots, u_{i-1} ; \Theta\right) L1(U)=ilogP(uiuik,,ui1;Θ)
其中, k k k表示上下文窗口的大小,这里计算每个

<think>好的,我现在需要回答用户关于BERT和GPT原理以及它们的工作原理和实现机制的问题。用户之前询问了PyTorch全流程开发的相关内容,现在转向了自然语言处理中的两个重要模型:BERT和GPT。我需要结合用户提供的引用内容,特别是引用[1]和[2],来构建回答。 首先,用户提供的引用[1]提到,BERT和GPT都基于Transformer模型,但BERT使用双向自注意力,而GPT是单向的。这一点是关键,需要详细解释两者的区别。同时,用户引用[2]提到了对Transformer、BERT和GPT的理解,这可能涉及模型的基本结构和工作原理。 接下来,我需要回顾自己对这些模型的知识。BERT(Bidirectional Encoder Representations from Transformers)是由Google提出的预训练模型,主要用于上下文理解任务,如文本分类、问答等。它通过Masked Language Model(MLM)和Next Sentence Prediction(NSP)任务进行预训练,利用Transformer的编码器结构。而GPT(Generative Pre-trained Transformer)由OpenAI开发,专注于生成任务,使用Transformer的解码器结构,并通过自回归的方式生成文本,即每次生成一个词,基于之前的上下文。 用户可能希望了解两者的核心差异,比如自注意力的方向、预训练任务、架构差异等。需要确保回答结构清晰,分点说明,并涉及实现机制,如模型结构、预训练任务、微调应用等。 另外,用户之前的对话涉及PyTorch的模型搭建、训练优化和部署,可能在回答中可以适当提及这些模型在PyTorch中的实现,但用户当前问题更关注原理,所以需要保持重点。同时,用户提供的引用提到了前馈神经网络(Feedforward Neural Networks),这也是Transformer中的一个组成部分,应该在解释模型结构时提到。 需要确认是否有其他引用内容需要整合,但当前提供的引用主要强调了BERT的双向性和GPT的单向性,以及它们基于Transformer的事实。因此,在回答中应突出这些点,并结合Transformer的结构进行解释。 可能还需要对比两者的应用场景,例如BERT适合需要上下文理解的任务,而GPT适合文本生成。此外,实现机制部分可以简要说明它们的预训练过程,如BERT的MLM和NSP,GPT的自回归语言建模。 最后,生成的相关问题需要围绕BERT和GPT的区别、实现细节、应用场景等方面,确保用户能进一步探索相关主题。需要避免技术细节过于深入,保持解释的易懂性,同时确保准确性。</think>以下是对BERT和GPT工作原理及实现机制的详细解析,结合Transformer架构核心设计进行说明: --- ### 一、核心架构对比 #### 1.1 Transformer基础结构 两个模型都基于Transformer架构,其核心公式为: $$ \text{Attention}(Q,K,V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V $$ 其中$Q$(Query)、$K$(Key)、$V$(Value)矩阵的维度为$d_k$[^1] #### 1.2 BERT架构特性 - **双向编码器**:使用Transformer的Encoder堆叠(通常12-24层) - **上下文捕捉**:每个token的表示同时考虑左右两侧信息 - **实现机制**: ```python # PyTorch伪代码示例 class BERTLayer(nn.Module): def __init__(self): self.attention = MultiHeadAttention(d_model=768, n_heads=12) self.ffn = PositionWiseFFN(d_model=768, d_ff=3072) def forward(self, x): x = x + self.attention(x, x, x) # 自注意力 x = x + self.ffn(x) # 前馈网络 return x ``` #### 1.3 GPT架构特性 - **单向解码器**:使用Transformer的Decoder结构(仅保留masked self-attention) - **自回归生成**:当前词预测仅依赖左侧上下文 - **实现差异**: ```python class GPTLayer(nn.Module): def __init__(self): self.masked_attention = MaskedMultiHeadAttention(d_model=768, n_heads=12) self.ffn = PositionWiseFFN(d_model=768, d_ff=3072) def forward(self, x): x = x + self.masked_attention(x) # 带掩码的注意力 x = x + self.ffn(x) return x ``` --- ### 二、预训练目标对比 #### 2.1 BERT预训练任务 | 任务类型 | 技术实现 | 数学表达 | |----------------------|-----------------------------------|-----------------------------------| | Masked Language Model (MLM) | 随机掩盖15%的token进行预测 | $$ P(w_i|w_{1...i-1},w_{i+1...n}) $$ | | Next Sentence Prediction (NSP) | 判断两个句子是否连续 | $$ P(\text{IsNext} = 1|s_1,s_2) $$ | #### 2.2 GPT预训练任务 - **语言模型任务**:最大化序列概率 $$ P(w_1,...,w_n) = \prod_{i=1}^n P(w_i|w_{1},...,w_{i-1}) $$ - **实现特点**:使用**字节对编码**(BPE)处理词表 --- ### 三、关键技术差异 | 维度 | BERT | GPT系列 | |--------------|-------------------------------|------------------------------| | 注意力方向 | 双向 | 单向(仅左上下文) | | 位置编码 | 绝对位置编码 | 可学习的位置嵌入 | | 典型应用 | 文本分类/问答 | 文本生成/对话 | | 训练数据量 | 通常3-10B tokens | 45TB以上(GPT-3) | | 微调方式 | 全参数微调 | Prompt Tuning + 部分微调 | --- ### 四、实践应用示例 #### 4.1 BERT句子分类实现 ```python from transformers import BertModel, BertTokenizer model = BertModel.from_pretrained('bert-base-uncased') tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased') inputs = tokenizer("Hello world!", return_tensors="pt") outputs = model(**inputs) # 输出包含[CLS]向量 ``` #### 4.2 GPT文本生成实现 ```python from transformers import GPT2LMHeadModel, GPT2Tokenizer model = GPT2LMHeadModel.from_pretrained('gpt2') tokenizer = GPT2Tokenizer.from_pretrained('gpt2') input_ids = tokenizer.encode("The future of AI is", return_tensors='pt') output = model.generate(input_ids, max_length=50) # 自回归生成 ``` --- ### 五、性能优化策略 1. **BERT优化**: - 使用蒸馏技术(如DistilBERT)减小模型体积 - 动态量化降低推理延迟 $$ \text{模型大小} \propto d_{model}^2 \times n_{layers} $$ 2. **GPT优化**: - 采用稀疏注意力机制(如Sparse Transformer) - 使用KV缓存加速生成过程 $$ \text{推理时间} = O(n^2d + n d^2) $$ ---
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