一種基于prompt和對(duì)比學(xué)習(xí)的句子表征學(xué)習(xí)模型

雖然BERT等語(yǔ)言模型有很大的成果，但在對(duì)句子表征方面（sentence embeddings）上表現(xiàn)依然不佳，因?yàn)锽ERT存在 sentence bias 、 anisotropy 問題；

我們發(fā)現(xiàn)prompt，再給定不同的template時(shí)可以生成不同方面的positive pair，且避免embedding bias。

相關(guān)工作

Contrastive Learning（對(duì)比學(xué)習(xí)） 可以利用BERT更好地學(xué)習(xí)句子表征。其重點(diǎn)在于如何尋找正負(fù)樣本。例如，使用inner dropout方法構(gòu)建正樣本。

現(xiàn)有的研究表明，BERT的句向量存在一個(gè) 坍縮現(xiàn)象 ，也就是句向量受到高頻詞的影響，進(jìn)而坍縮在一個(gè)凸錐，也就是各向異性，這個(gè)性質(zhì)導(dǎo)致度量句子相似性的時(shí)候存在一定的問題，這也就是 anisotropy 問題。

發(fā)現(xiàn)

（1）Original BERT layers fail to improve the performance.

對(duì)比兩種不同的sentence embedding方法：

對(duì)BERT的輸入input embedding進(jìn)行平均；

對(duì)BERT的輸出（last layer）進(jìn)行平均

評(píng)價(jià)兩種sentence embedding的效果，采用sentence level anisotropy評(píng)價(jià)指標(biāo)：

anisotropy ：將corpus里面的sentence，兩兩計(jì)算余弦相似度，求平均。

對(duì)比了不同的語(yǔ)言模型，預(yù)實(shí)驗(yàn)如下所示：

從上表可以看出，貌似anisotropy對(duì)應(yīng)的spearman系數(shù)比較低，說明相關(guān)性不大。比如bert-base-uncased，

可以看出static token embedding的anisotropy很大，但是最終的效果也差不多。

（2）Embedding biases harms the sentence embeddings performance.

token embedding會(huì)同時(shí)受到token frequency和word piece影響

不同的語(yǔ)言模型的token embedding高度受到詞頻、subword的影響；

通過可視化2D圖，高頻詞通常會(huì)聚在一起，低頻詞則會(huì)分散

For frequency bias, we can observe that high fre- quency tokens are clustered, while low frequency tokens are dispersed sparsely in all models (Yan et al., 2021). The begin-of-word tokens are more vulnerable to frequency than subword tokens in BERT. However, the subword tokens are more vul- nerable in RoBERTa.

三、方法

如何避免BERT在表征句子時(shí)出現(xiàn)上述提到的問題，本文提出使用Prompt來捕捉句子表征。但不同于先前prompt的應(yīng)用（分類或生成），我們并不是獲得句子的標(biāo)簽，而是獲得句子的向量，因此關(guān)于prompt-based sentence embedding，需要考慮兩個(gè)問題：

如何使用prompt表征一個(gè)句子；

如何尋找恰當(dāng)?shù)膒rompt；

本文提出一種基于prompt和對(duì)比學(xué)習(xí)的句子表征學(xué)習(xí)模型。

3.1 如何使用prompt表征一個(gè)句子

本文設(shè)計(jì)一個(gè)template，例如“[X] means [MASK]”，[X] 表示一個(gè)placehoder，對(duì)應(yīng)一個(gè)句子，[MASK]則表示待預(yù)測(cè)的token。給定一個(gè)句子，并轉(zhuǎn)換為prompt后喂入BERT中。有兩種方法獲得該句子embedding：

方法一：直接使用[MASK]對(duì)應(yīng)的隱狀態(tài)向量：；

方法二：使用MLM在[MASK]位置預(yù)測(cè)topK個(gè)詞，根據(jù)每個(gè)詞預(yù)測(cè)的概率，對(duì)每個(gè)詞的word embedding進(jìn)行加權(quán)求和來表示該句子：

方法二將句子使用若干個(gè)MLM生成的token來表示，依然存在bias，因此本文只采用第一種方法

3.2 如何尋找恰當(dāng)?shù)膒rompt

關(guān)于prompt設(shè)計(jì)上，可以采用如下三種方法：

manual design：顯式設(shè)計(jì)離散的template；

使用T5模型生成；

OptiPrompt：將離散的template轉(zhuǎn)換為continuous template;

3.3 訓(xùn)練

采用對(duì)比學(xué)習(xí)方法，對(duì)比學(xué)習(xí)中關(guān)于positive的選擇很重要，一種方法是采用dropout。本文采用prompt方法，為同一個(gè)句子生成多種不同的template，以此可以獲得多個(gè)不同的positive embedding。

The idea is using the different templates to repre- sent the same sentence as different points of view, which helps model to produce more reasonable pos- itive pairs.
為了避免template本身對(duì)句子產(chǎn)生語(yǔ)義上的偏向。作者采用一種trick：

喂入含有template的句子，獲得[MASK]對(duì)應(yīng)的embedding ；

只喂入template本身，且template的token的position id保留其在原始輸入的位置，此時(shí)獲得[MASK]對(duì)應(yīng)的embeding：

最后套入對(duì)比學(xué)習(xí)loss中進(jìn)行訓(xùn)練：

四、實(shí)驗(yàn)

作者在多個(gè)文本相似度任務(wù)上進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示：

驚奇的發(fā)現(xiàn)，PromptBERT某些時(shí)候竟然比SimCSE高，作者也提出使用對(duì)比學(xué)習(xí)，也許是基于SimCSE之上精細(xì)微調(diào)后的結(jié)果。

審核編輯：劉清