详解bert模型

一、BERT 简介

BERT是由 Google 在 2018 年提出的一种预训练语言模型，它极大推动了自然语言处理（NLP）的发展。
BERT 的论文是：Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding
在 BERT 出现之前，大多数 NLP 模型都是：

• 单向语言模型（从左到右）
• 需要针对每个任务单独训练

而 BERT 提出了 双向上下文表示（Bidirectional Contextual Representation），可以同时利用句子左右两侧的信息。

例如一句话：

苹果很好吃

传统模型可能只看到：

苹果 → 很好吃

而 BERT 会同时看到：

苹果 ← 很好吃

这样可以更好地理解语言语义。

二、BERT 的核心思想

BERT 的核心思想可以概括为：预训练 + 微调（Pretrain + Fine-tune）
流程如下：

大量无标签文本
BERT 预训练
得到通用语言模型
在具体任务上微调
完成 NLP 任务

BERT 可以应用于很多任务，例如：

• 文本分类
• 情感分析
• 命名实体识别
• 机器阅读理解
• 问答系统

三、BERT 的模型结构

BERT 的底层结构基于Transformer|Attention is All you Need论文。

Transformer 由两个部分组成：

• Encoder
• Decoder

而 BERT 只使用Encoder。

整体结构如下：

输入文本
Tokenizer
Embedding Layer
Transformer Encoder × N
输出向量

BERT 有两个主要版本：

中文常用模型：bert-base-chinese

四、BERT 的输入表示

BERT 的输入不是简单的文本，而是由三部分组成：

Input Embedding = Token Embedding + Segment Embedding + Position Embedding

1 Token Embedding

Token Embedding 表示词的向量。

例如：

我 爱 自然 语言 处理

在中文 BERT 中通常按字粒度分词：

[CLS] 我 爱 自 然 语 言 处 理 [SEP]

2 Segment Embedding

Segment 用于区分句子 A 和句子 B。

例如：

句子A：[CLS] 我 爱 NLP [SEP]
句子B：它 很 有 趣 [SEP]

Segment 标记：

0 0 0 0 0
1 1 1 1 1

3 Position Embedding

因为 Transformer 不具备顺序信息，所以需要位置编码。

例如：

位置: 0 1 2 3 4 5

这样模型就能理解词的顺序。

五、BERT 的两种预训练任务

BERT 在预训练阶段主要做两件事情。

1 Masked Language Model（MLM）

随机遮挡句子中的某些词，让模型预测它们。

例如：

我 爱 [MASK] 语言 处理

模型需要预测：

自然

这种方式可以让模型学习上下文关系。

2 Next Sentence Prediction（NSP）

判断两个句子是否连续。

例如：

句子A：我喜欢机器学习
句子B：深度学习很有趣

模型需要判断：

IsNext / NotNext

这样可以学习句子之间的关系。

六、BERT 在 NLP 任务中的应用

BERT 在很多任务中都取得了突破性效果。

例如：

1 文本分类

输入：

这个手机很好用

输出：

正面评论

常用于：

• 情感分析
• 垃圾邮件分类

2 命名实体识别

识别文本中的实体，例如：

张三 在 北京 工作

识别结果：

张三 → 人名
北京 → 地名

3 问答系统

例如：

问题：北京是哪个国家的首都？

BERT 可以在文章中找到答案。

七、BERT 的代码示例

在 Python 中通常使用 Transformers 库。

安装：

pip install transformers

加载 tokenizer：

fromtransformersimportBertTokenizer tokenizer=BertTokenizer.from_pretrained("bert-base-chinese")text="我爱自然语言处理"encoding=tokenizer(text)print(encoding)

输出类似：

{'input_ids':[...],'token_type_ids':[...],'attention_mask':[...]}

加载模型：

fromtransformersimportBertForSequenceClassification model=BertForSequenceClassification.from_pretrained("bert-base-chinese",num_labels=2)

这可以直接用于情感分类任务。

八、BERT 的优缺点

优点

1. 双向上下文理解能力强
2. 预训练模型可以迁移到多种任务
3. 在很多 NLP benchmark 上表现优秀

缺点

1. 参数量大
2. 训练成本高
3. 推理速度较慢

因此后来又出现了很多改进模型，例如：

• RoBERTa
• ALBERT
• DistilBERT

九、计算bert模型的参数

以下计算忽略了bias

Embedding层参数计算

1. Token Embedding
词向量矩阵大小
vocab_size * hidden_size：21128 * 768 = 16226304

2.Segment Embedding
支持两个句子输入
2 * 768 = 1576

3.Position Embedding
最大序列长度(采用独热编码)
512 * 768 = 393216

Embedding层总参数：16226304 + 1576 + 393216 = 16621096

Transformer Encoder

BERT-base 一共有12层 Transformer Encoder。

每一层包含两个主要模块：

• Multi-Head Attention
• Feed Forward Network

Multi-Head Attention多头注意力机制

Q = XW_q
K = XW_k
V = XW_v

每个矩阵大小：768 * 768
总共：3 * 768 * 768 = 1769472

Add & Norm 还有一个输出矩阵：768 * 768 = 589824

Feed Forward

linear(768, 768*4)
linear(768 * 4, 768)

所以参数是：768 * 3072 + 3072 * 768 = 4718592

由于总共有12层：12 * (1769472 + 589824 + 4718592) = 84934656

Pooler output池化层

768 * 768 = 589824

总参数

• Embedding: 16621096
• Encoder: 84934656
• pooler：589824

总参数约为：102145536

fromtransformersimportBertModel,BertTokenizerdefget_parameter_number(model):total_num=sum(p.numel()forpinmodel.parameters())trainable_num=sum(p.numel()forpinmodel.parameters()ifp.requires_grad)return{'Total':total_num,'Trainable':trainable_num}bert=BertModel.from_pretrained("bert-base-chinese")print(get_parameter_number(bert))

输出：

{‘Total’: 102267648, ‘Trainable’: 102267648}
102145536