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NLP语言模型训练里的特殊向量

article 2025/4/1 17:32:26

1. CLS 向量和 DEC 向量的区别及训练方式

(1) CLS 向量与 DEC 向量是否都是特殊 token？

CLS 向量（[CLS] token）和 DEC 向量（Decoder Input token）都是特殊的 token，但它们出现在不同类型的 NLP 模型中，并承担不同的功能。

CLS 向量（[CLS] token）
- 主要出现在 BERT 类的双向 Transformer 编码器模型中，比如 BERT、RoBERTa、ALBERT 等。
- 用于表示整个输入序列的全局信息，常用于分类任务（如情感分析、文本匹配）。
- 具体机制：
  - 在 BERT 预训练阶段，[CLS] token 被加在输入文本的最前面。
  - 经过 Transformer 编码层后，输出的 CLS 向量聚合了整个文本的信息，最终送入分类头进行任务训练。
  - 例如，在情感分类任务中，CLS 向量会经过全连接层和 softmax 变换，输出正负类别概率。
DEC 向量（Decoder Input token）
- 主要出现在 Encoder-Decoder 结构的模型中，比如 Transformer（用于机器翻译）、T5（用于文本生成）等。
- 充当解码器的初始输入，通常由 <bos>（begin-of-sequence）或者 <s>（start token）表示。
- 具体机制：
  - 训练时，Decoder 需要一个起始 token（例如 <bos>），然后依赖 Encoder 的输出和已生成的部分自回归地预测下一个 token。
  - 生成过程中，每个时间步的 DEC 向量都会影响下一个 token 的生成。

(2) CLS 向量和 DEC 向量如何初始化？

CLS 向量初始化：
在 BERT 预训练时，[CLS] token 的初始向量与普通词向量一样，随机初始化，并在训练过程中通过梯度下降不断优化。
DEC 向量初始化：
在 Transformer 类模型中，DEC token 也通常是随机初始化的，但是不同的模型可能采用不同的方法：
- 在 T5 这种预训练模型中，Decoder 的输入采用的是预训练时学习到的 <s> token 。
- 在机器翻译任务中，Decoder 可能使用源语言的 <bos> 作为起点。

(3) CLS 向量和 DEC 向量如何参与训练？

CLS 向量的训练方式：
- 在 BERT 预训练任务（如 Masked Language Model 和 Next Sentence Prediction）中，CLS 向量是计算句子级别任务损失的关键部分。
- 在下游任务中（如文本分类），CLS 向量会经过额外的线性层，用于预测类别标签。
DEC 向量的训练方式：
- 参与自回归训练，即在训练时，Decoder 只能够看到之前的词，而预测当前时间步的目标词（Teacher Forcing 机制）。
- 目标是最大化正确序列的似然，使得 DEC 向量能够学习如何有效指导解码器生成合理的输出。

(4) CLS 向量和 DEC 向量本质上是否相同？

从数学本质上看，它们都是高维向量（embedding），但在模型设计上：

CLS 向量用于编码文本全局语义，属于 Encoder 端的产物。
DEC 向量用于自回归地指导序列生成，属于 Decoder 端的输入。
区别主要体现在训练方式、任务目标和语义作用上。

2. 分类损失（如交叉熵） vs. 语言模型损失（如负对数似然）

这两种损失都用于 NLP 任务，但应用场景不同。

(1) 分类损失（Cross Entropy, CE）

适用任务： 用于文本分类、命名实体识别（NER）、情感分析等任务。
计算方式：
- 先计算模型输出的类别概率分布：
  $p_i = \text{softmax}(z_i)$
- 再计算真实类别 ( y ) 与预测类别 ( p ) 之间的交叉熵：
  $-\sum_{i} y_i \log p_i$
特点：
- 仅在整个输入上计算一个类别概率，而不涉及逐 token 预测。

(2) 语言模型损失（Negative Log Likelihood, NLL）

适用任务： 用于文本生成、机器翻译、问答任务（如 GPT、T5）。
计算方式：
- 语言模型在训练时，目标是最大化正确序列的似然概率，其损失形式为：
  $-\sum_{t} \log p(y_t | y_{<t}, x)$
- 这里，( y_t ) 是第 ( t ) 个时间步的目标词，( y_{<t} ) 代表已生成的部分，( x ) 是输入序列（如果是 Encoder-Decoder）。
特点：
- 逐 token 计算损失，关注序列的生成概率。
- 在自回归（Auto-regressive）任务中，每个 token 预测结果依赖前面已生成的部分。

(3) 两者的主要区别

	分类损失（CE）	语言模型损失（NLL）
任务类型	句子级别任务（分类）	逐 token 预测任务（生成）
计算方式	计算整个文本的类别概率	计算每个 token 的预测概率
是否自回归	否	是

3. 自回归（Autoregressive, AR）

(1) 自回归的定义

自回归（Autoregressive）是一种序列建模方法，当前时间步的预测依赖于过去的输出。

(2) 为什么叫“自回归”？

“回归” 这个术语在统计学中表示根据历史数据预测未来值。
“自” 指的是模型的输入来自于自己之前的预测。
因此，自回归 = “使用自身过去的信息来预测未来”。

(3) NLP 中的自回归模型

GPT（Generative Pre-trained Transformer）
- 在第 ( t ) 个时间步，只能看到 ( y_1, y_2, \ldots, y_{t-1} ) 这些前面的 token，不能看到未来的信息。
- 预测方式：
  $p(y_t | y_{<t})$
- 依赖“过去的输出”来预测下一个词，典型的自回归结构。
BERT 不是自回归模型
- BERT 是 双向 Transformer，训练时可以看到整个输入，因此它不是自回归模型。

(4) 自回归的应用

语言模型（GPT、XLNet）
机器翻译（Transformer Decoder）
语音生成（WaveNet）

总结

CLS 向量和 DEC 向量本质上都是向量，但用途不同：
- CLS 向量用于文本分类、全局表征；
- DEC 向量用于解码器输入，引导文本生成。
分类损失 vs. 语言模型损失：
- 交叉熵用于整体分类；
- 负对数似然用于逐 token 预测。
自回归（Auto-regressive）是指依赖自身过去输出进行预测，GPT 等生成模型采用这一机制。

在 NLP 任务中，<s> 和 <bos> 都是 特殊 token，但它们的使用方式略有不同，取决于具体的模型和任务。

1. `<s>`（Start-of-Sequence Token）

<s> 代表 序列的起始 token，在不同的模型中用途不同：

在 T5 模型（Text-to-Text Transfer Transformer）中：
- T5 是一个 Encoder-Decoder 结构的 Transformer，所有任务都被转换成文本生成任务。
- 在 T5 的 Decoder 中，解码输入（Decoder Input）以 <s> 作为起始 token，然后逐步生成后续 token。
- 训练时：
```
输入 (Encoder Input) = "Translate English to French: I love NLP"
目标输出 (Decoder Target) = "<s> J'aime le NLP </s>"
```
- 预测时：
  - <s> 提供解码起点，模型基于 Encoder 的输出和 <s> 生成下一个 token。
在 BART（Bidirectional and Auto-Regressive Transformer）模型中：
- BART 也是 Encoder-Decoder 结构，用于文本填充、摘要等任务。
- <s> 用于标识句子开始，在 BART 预训练阶段，模型可能会恢复丢失的 <s> token。
在一些 NLP 任务中：
- <s> 也可以作为整个句子或段落的起点，类似于 [CLS]（BERT 中用于分类任务的 token）。

2. `<bos>`（Beginning-of-Sequence Token）

<bos> 代表 序列的开始，用于 自回归（Auto-regressive）解码：

在机器翻译（MT）任务中：
- Transformer 结构的 Decoder 需要一个起始 token，通常用 <bos> 作为 Decoder 的输入。
- 例如：
```
源语言输入 (Encoder Input): "I love NLP"
目标输出 (Decoder Target): "<bos> J'aime le NLP <eos>"
```
- 在训练时，Decoder 会在 <bos> 之后一个个预测目标语言的 token，直到遇到 <eos>（end-of-sequence）。
在 GPT 这样的自回归模型中：
- GPT 主要用于文本生成任务，如对话、摘要。
- <bos> 告诉模型“文本从这里开始”，然后 GPT 依次预测下一个 token。

3. `<s>` 和 `<bos>` 的区别

Token	常见用途	典型模型
`<s>` (Start-of-Sequence)	句子/段落的起点，用于 Encoder-Decoder 任务	T5、BART
`<bos>` (Beginning-of-Sequence)	自回归生成的起始 token，特别用于解码	GPT、Transformer Decoder