自然语言处理（NLP）核心技术深度解析

一、词嵌入（Word Embedding）

1.1 Word2Vec：静态词向量的经典方法

核心思想：将词汇映射到低维连续向量空间，捕捉语义和语法关系。

两种模型：

• CBOW（连续词袋模型）：通过上下文预测中心词，适用于高频词学习。
  • 输入层：上下文词向量求和平均 → 投影层 → Softmax输出中心词概率。
• Skip-Gram：通过中心词预测上下文，擅长低频词建模。

优化方法：

• 负采样：用噪声对比估计替代全词表Softmax，加速训练。
• 层次Softmax：基于哈夫曼树分层分类，复杂度从 $O(V)$ 降至 $O(\log V)$。

局限性：

• 静态嵌入：无法处理一词多义（如"bank"在金融/地理中的不同含义）。
• 上下文无关：相同词在不同语境下向量不变。

1.2 BERT：动态上下文嵌入的突破

架构基础：基于Transformer Encoder堆叠（如BERT-base：12层，768隐层维度）。
动态特性：根据上下文生成词向量，解决多义词问题。

• 例： “apple” 在 “apple pie” 与 “Apple stock” 中向量不同。

训练机制：

• 双向上下文：同时利用左右两侧信息，与GPT的单向形成对比。
• 子词切分：WordPiece分词解决未登录词问题（如"un##happy"）。

变体改进：

• RoBERTa：移除NSP任务，动态掩码，更大批次训练。
• ALBERT：参数共享与嵌入分解降低内存消耗。

二、注意力机制（Attention Mechanism）

2.1 基础注意力模型

Seq2Seq瓶颈：传统RNN编码器-解码器存在长程信息丢失。

注意力计算：

• 评分函数：缩放点积（Scaled Dot-Product）：

  $$Attention(Q,K,V)=softmax\left(\frac{Q{K}^T}{\sqrt{d_k}}\right)V$$

  其中 $d_k$ 为键向量维度，用于调节点积值域。

• 上下文向量：解码时动态加权编码器隐状态，聚焦关键信息。

2.2 自注意力（Self-Attention）

核心思想：序列内部元素间建立直接关联。

计算步骤：

1. 线性变换生成Q、K、V矩阵。
2. 计算注意力权重矩阵。
3. 加权求和得到输出。

多头注意力：并行多个注意力头，捕获不同子空间特征。
实现方式：各头独立计算后拼接，通过线性层融合。

2.3 高效注意力变体

• 稀疏注意力：限制每个位置关注局部区域（如Local Attention）。
• 内存压缩：Linformer通过低秩投影减少K、V矩阵维度。

三、预训练任务设计

3.1 MLM（掩码语言模型）

操作流程：

• 随机掩码15%的输入token（其中80%替换为[MASK]，10%随机替换，10%保持原词）。
• 模型基于双向上下文预测被掩码词。

技术挑战：

• 预训练-微调差异：微调阶段无[MASK]标记，通过部分替换缓解。
• 预测效率：仅计算被掩码位置的损失，加速训练。

3.2 NSP（下一句预测）

任务目标：判断句子B是否为句子A的后续。

输入格式：[CLS] A [SEP] B [SEP]

争议点：后续研究发现NSP对某些任务贡献有限，RoBERTa等模型已弃用。

3.3 Span Prediction（片段预测）

改进思路：

• 掩盖连续词片段而非单个词，提升对短语级语义的理解。
  • 例如：在SpanBERT中，随机掩盖长度2-10的连续span。

边界标记技术：使用[S]和[/S]标记片段边界，强化位置感知。

四、序列建模范式对比

4.1 自回归（Autoregressive）模型

典型代表：GPT系列、LSTM语言模型。

生成方式：

• 严格从左到右逐词生成：

  $$p(x_t|x_{<t})$$

应用场景：文本生成、机器翻译。

局限性：

• 解码速度：无法并行，生成长文本时延迟显著。
• 暴露偏差（Exposure Bias）：训练时使用真实上下文，推理时依赖模型预测。

4.2 非自回归（Non-autoregressive）模型

典型架构：BERT（掩码填充）、NAT（Non-Autoregressive Transformers）。

并行生成：

• 同时预测所有位置，解码速度提升10-20倍。

实现方式：

• 通过迭代修正（如Insertion Transformer）逐步优化输出。

挑战与改进：

• 多峰分布问题：使用知识蒸馏（用自回归模型作教师）。
• 质量提升：引入长度预测模块（如GLAT中的动态长度控制）。

4.3 混合方法

• 部分自回归：分块生成（如Blockwise Parallel Decoding）。
• 条件式生成：在特定位置启用自回归（如困难预测点）。

五、前沿研究方向

• 长文本建模：Transformer-XL的记忆复用机制，压缩远程依赖。
• 多模态预训练：CLIP、Florence联合学习文本与图像表示。
• 绿色AI：知识蒸馏（DistilBERT）、模型剪枝（Movement Pruning）降低计算成本。
• 提示学习（Prompt Learning）：通过模板设计激活预训练知识。