深入淺出Prompt Learning要旨及常用方法

近年來 NLP 學(xué)術(shù)領(lǐng)域發(fā)展真是突飛猛進(jìn)，剛火完對比學(xué)習(xí)（contrastive learning），又有更火的提示學(xué)習(xí) prompt learning。眾所周知，數(shù)據(jù)標(biāo)注數(shù)據(jù)很大程度上決定了 AI 算法上限，并且成本非常高，無論是對比學(xué)習(xí)還是提示學(xué)習(xí)都著重解決少樣本學(xué)習(xí)而提出，甚至在沒有標(biāo)注數(shù)據(jù)的情況下，也能讓模型表現(xiàn)比較好的效果。本文主要介紹 prompt learning 思想和目前常用的方法。

NLP的訓(xùn)練范式有哪些

目前學(xué)術(shù)界一般將 NLP 任務(wù)的發(fā)展分為四個(gè)階段即 NLP 四范式： 1. 第一范式：基于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的范式，如 tf-idf 特征 + 樸素貝葉斯等機(jī)器算法； 2. 第二范式：基于深度學(xué)習(xí)模型的范式，如 word2vec 特征 + LSTM 等深度學(xué)習(xí)算法，相比于第一范式，模型準(zhǔn)確有所提高，特征工程的工作也有所減少； 3. 第三范式：基于預(yù)訓(xùn)練模型 + finetuning 的范式，如 BERT + finetuning 的 NLP 任務(wù)，相比于第二范式，模型準(zhǔn)確度顯著提高，但是模型也隨之變得更大，但小數(shù)據(jù)集就可訓(xùn)練出好模型； 4. 第四范式：基于預(yù)訓(xùn)練模型 + Prompt + 預(yù)測的范式，如 BERT + Prompt 的范式相比于第三范式，模型訓(xùn)練所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)顯著減少。

在整個(gè) NLP 領(lǐng)域，你會發(fā)現(xiàn)整個(gè)發(fā)展是朝著精度更高、少監(jiān)督，甚至無監(jiān)督的方向發(fā)展的，而 Prompt Learning 是目前學(xué)術(shù)界向這個(gè)方向進(jìn)軍最新也是最火的研究成果。 為什么需要提示學(xué)習(xí) 為什么呢？要提出一個(gè)好的方式那必然是用來解決另一種方式存在的缺陷或不足，那我們就先從它的上一個(gè)范式來說起，就是預(yù)訓(xùn)練模型 PLM + finetuning 范式常用的是 BERT+ finetuning：

這種范式是想要預(yù)訓(xùn)練模型更好的應(yīng)用在下游任務(wù)，需要利用下游數(shù)據(jù)對模型參數(shù)微調(diào)；首先，模型在預(yù)訓(xùn)練的時(shí)候，采用的訓(xùn)練形式：自回歸、自編碼，這與下游任務(wù)形式存在極大的 gap，不能完全發(fā)揮預(yù)訓(xùn)練模型本身的能力 必然導(dǎo)致：較多的數(shù)據(jù)來適應(yīng)新的任務(wù)形式——>少樣本學(xué)習(xí)能力差、容易過擬合

▲ 上下游任務(wù)形式存在gap 其次，現(xiàn)在的預(yù)訓(xùn)練模型參數(shù)量越來越大，為了一個(gè)特定的任務(wù)去 finetuning 一個(gè)模型，然后部署于線上業(yè)務(wù)，也會造成部署資源的極大浪費(fèi)。

▲ 模型專用性特定任務(wù)微調(diào)導(dǎo)致部署成本過高

提示學(xué)習(xí)是什么

首先我們應(yīng)該有的共識是：預(yù)訓(xùn)練模型中存在大量知識；預(yù)訓(xùn)練模型本身具有少樣本學(xué)習(xí)能力。 GPT-3 提出的 In-Context Learning，也有效證明了在 Zero-shot、Few-shot 場景下，模型不需要任何參數(shù)，就能達(dá)到不錯(cuò)的效果，特別是近期很火的 GPT3.5 系列中的 ChatGPT。

Prompt Learning 的本質(zhì)： 將所有下游任務(wù)統(tǒng)一成預(yù)訓(xùn)練任務(wù)；以特定的模板，將下游任務(wù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成自然語言形式，充分挖掘預(yù)訓(xùn)練模型本身的能力。 本質(zhì)上就是設(shè)計(jì)一個(gè)比較契合上游預(yù)訓(xùn)練任務(wù)的模板，通過模板的設(shè)計(jì)就是挖掘出上游預(yù)訓(xùn)練模型的潛力，讓上游的預(yù)訓(xùn)練模型在盡量不需要標(biāo)注數(shù)據(jù)的情況下比較好的完成下游的任務(wù)，關(guān)鍵包括 3 個(gè)步驟：

設(shè)計(jì)預(yù)訓(xùn)練語言模型的任務(wù)

設(shè)計(jì)輸入模板樣式（Prompt Engineering）

設(shè)計(jì) label 樣式及模型的輸出映射到 label 的方式（Answer Engineering）

Prompt Learning 的形式： 以電影評論情感分類任務(wù)為例，模型需根據(jù)輸入句子做二分類： 原始輸入：特效非?？犰?，我很喜歡。 Prompt 輸入：提示模板 1：特效非?？犰牛液芟矚g。這是一部 [MASK] 電影；提示模板 2：特效非?？犰牛液芟矚g。這部電影很 [MASK] 提示模板的作用就在于：將訓(xùn)練數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成自然語言的形式，并在合適的位置 MASK，以激發(fā)預(yù)訓(xùn)練模型的能力。

▲ 提示學(xué)習(xí)模板框架 類別映射 / Verbalizer：選擇合適的預(yù)測詞，并將這些詞對應(yīng)到不同的類別。

▲ 類別映射 通過構(gòu)建提示學(xué)習(xí)樣本，只需要少量數(shù)據(jù)的 Prompt Tuning，就可以實(shí)現(xiàn)很好的效果，具有較強(qiáng)的零樣本/少樣本學(xué)習(xí)能力。

常見的提示學(xué)習(xí)方法

4.1 硬模板方法

4.1.1硬模板-PET（Pattern Exploiting Training） PET 是一種較為經(jīng)典的提示學(xué)習(xí)方法，和之前的舉例一樣，將問題建模成一個(gè)完形填空問題，然后優(yōu)化最終的輸出詞。雖然 PET 也是在優(yōu)化整個(gè)模型的參數(shù)，但是相比于傳統(tǒng)的 Finetuning 方法，對數(shù)據(jù)量需求更少。 建模方式： 以往模型只要對 P(l|x) 建模就好了（l 是 label），但現(xiàn)在加入了 Prompt P 以及標(biāo)簽映射（作者叫 verbalizer），所以這個(gè)問題就可以更新為：

其中 M 表示模型，s 相當(dāng)于某個(gè) prompt 下生成對應(yīng) word 的 logits。再通過 softmax，就可以得到概率：

作者在訓(xùn)練時(shí)又加上了 MLM loss，進(jìn)行聯(lián)合訓(xùn)練。

▲ 訓(xùn)練架構(gòu) 具體的做法：

在少量監(jiān)督數(shù)據(jù)上，給每個(gè) Prompt 訓(xùn)練一個(gè)模型；

對于無監(jiān)督數(shù)據(jù)，將同一個(gè)樣本的多個(gè) prompt 預(yù)測結(jié)果進(jìn)行集成，采用平均或加權(quán)（根據(jù) acc 分配權(quán)重）的方式，再歸一化得到概率分布，作為無監(jiān)督數(shù)據(jù)的 soft label ；

在得到的 soft label上 finetune 一個(gè)最終模型。

4.1.2 硬模板-LM-BFF LM-BFF 是陳天琦團(tuán)隊(duì)的工作，在 Prompt Tuning 基礎(chǔ)上，提出了 Prompt Tuning with demonstration & Auto Prompt Generation。

硬模板方法的缺陷： 硬模板產(chǎn)生依賴兩種方式：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的人工設(shè)計(jì) & 自動化搜索。但是，人工設(shè)計(jì)的不一定比自動搜索的好，自動搜索的可讀性和可解釋性也不強(qiáng)。

上圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出硬模板 對于 prompt，改變 prompt 中的單個(gè)單詞會給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來巨大的差異，所以也為后續(xù)優(yōu)化提供了方向，如索性直接放棄硬模板，去優(yōu)化 prompt token embedding。

4.2軟模板方法

4.2.1 軟模板- P tuning 不再設(shè)計(jì)/搜索硬模板，而是在輸入端直接插入若干可被優(yōu)化的 Pseudo Prompt Tokens，自動化地尋找連續(xù)空間中的知識模板：

不依賴人工設(shè)計(jì)

要優(yōu)化的參數(shù)極少，避免了過擬合（也可全量微調(diào)，退化成傳統(tǒng) finetuning）

傳統(tǒng)離散 prompt 直接將模板 T 的每個(gè) token 映射為對應(yīng)的 embedding，而 P-Tuning 將模板 T 中的 Pi（Pseudo Prompt）映射為一個(gè)可訓(xùn)練的參數(shù) hi。 優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)在于，自然語言的 hard prompt，替換為可訓(xùn)練的 soft prompt；使用雙向 LSTM 對模板 T 中的 pseudo token 序列進(jìn)行表征；引入少量自然語言提示的錨字符（Anchor）提升效率，如上圖的“capital”，可見 p-tuning 是 hard+soft 的形式，并不是完全的 soft 形式。 具體的做法：

初始化一個(gè)模板：The capital of [X] is [mask]

替換輸入：[X] 處替換為輸入 “Britian”，即預(yù)測 Britain 的首都

挑選模板中的一個(gè)或多個(gè) token 作為 soft prompt

將所有 soft prompt 送入 LSTM，獲得每個(gè) soft prompt 的隱狀態(tài)向量 h

將初始模板送入 BERT 的 Embedding Layer，所有 soft prompt 的 token embedding 用 h 代替，然后預(yù)測mask。

核心結(jié)論：基于全量數(shù)據(jù)，大模型：僅微調(diào) prompt 相關(guān)的參數(shù)，媲美 fine-tuning 的表現(xiàn)。 代碼：https://github.com/THUDM/

4.2.2 軟模板- Prefix tuning P-tuning 更新 prompt token embedding 的方法，能夠優(yōu)化的參數(shù)較少。Prefix tuning 希望能夠優(yōu)化更多的參數(shù)，提升效果，但是又不帶來過大的負(fù)擔(dān)。雖然 prefix tuning 是在生成任務(wù)上被提出來的，但是它對 soft prompt 后續(xù)發(fā)展有著啟發(fā)性的影響。

▲ 優(yōu)化每一層的 Prompt token embedding，而不僅僅是輸入層

由上圖可見，模型上在每層 transformer 之前加入 prefix。特點(diǎn)是 prefix 不是真實(shí)的 token，而是連續(xù)向量（soft prompt），Prefix-tuning 訓(xùn)練期間凍結(jié) transformer 的參數(shù)，只更新 Prefix 的參數(shù)。 只需要存儲大型 transformer 的一個(gè)副本和學(xué)習(xí)到的特定于任務(wù)的前綴即可，為每個(gè)附加任務(wù)產(chǎn)生非常小的開銷。

▲ 自回歸模型

以圖上自回歸模型為例的做法：

輸入表示為 Z = [ prefix ; x ; y ]

Prefix-tuning 初始化一個(gè)訓(xùn)練的 矩陣 P，用于存儲 prefix parameters

前綴部分 token，參數(shù)選擇設(shè)計(jì)的訓(xùn)練矩陣，而其他部分的 token，參數(shù)則固定 且為預(yù)訓(xùn)練語言模型的參數(shù)

核心結(jié)論：Prefix-tuning 在生成任務(wù)上，全量數(shù)據(jù)、大模型：僅微調(diào) prompt 相關(guān)的參數(shù)，媲美 fine-tuning 的表現(xiàn)。 代碼：https://github.com/XiangLi1999/PrefixTuning

4.2.3 軟模板- Soft Prompt Tuning Soft Prompt Tuning 系統(tǒng)后驗(yàn)證了軟模板方法的有效性，并提出：固定基礎(chǔ)模型，有效利用任務(wù)特定的 Soft Prompt Token，可以大幅減少資源占用，達(dá)到大模型的通用性。 對 Prefix-tuning 的簡化，固定預(yù)訓(xùn)練模型，只對下游任務(wù)的輸入添加額外的 k 個(gè)可學(xué)習(xí)的 token。這種方式在大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型的前提下，能夠媲美傳統(tǒng)的 fine-tuning 表現(xiàn)。

代碼：https://github.com/kipgparker/soft-prompt-tuning

總結(jié)

Prompt Learning 的組成部分

提示模板：根據(jù)使用預(yù)訓(xùn)練模型，構(gòu)建完形填空 or 基于前綴生成兩種類型的模板

類別映射 / Verbalizer：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇合適的類別映射詞

預(yù)訓(xùn)練語言模型

典型的 Prompt Learning 方法總結(jié)

硬模板方法：人工設(shè)計(jì)/自動構(gòu)建基于離散 token的模板

1）PET

2）LM-BFF

2. 軟模板方法：不再追求模板的直觀可解釋性，而是直接優(yōu)化 Prompt Token Embedding，是向量/可學(xué)習(xí)的參數(shù)

1）P-tuning

2）Prefix Tuning

審核編輯 ：李倩