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XLNet架构

XLNet 是一种基于自回归（autoregressive）的预训练语言模型，由 Google AI 和 CMU 的研究团队于 2019 年提出。它是为了改进之前的预训练语言模型（如 BERT）的性能。其核心特点是结合了 BERT 的双向表示优势 和 自回归模型（如 GPT） 的建模能力。与 BERT 等模型不同，XLNet 并不直接使用经典的 "masking" 技术来预训练语言模型，而是通过 排列语言建模（Permutation Language Modeling） 的方式，使得模型能够捕捉到输入序列的不同排列顺序的信息。

XLNet 的架构是基于 Transformer-XL 进行改进的，它的核心思想是结合自回归语言模型（如 GPT）和双向语言模型（如 BERT）的优势。以下是 XLNet 的架构详细说明：

XLNet 架构概览

  1. 基础模型：Transformer XLNet 继承了 Transformer 模型的基础架构，主要包括多头自注意力机制（Self-Attention Mechanism）、前馈神经网络层和残差连接。Transformer 架构的优点在于可以并行处理输入序列中的每一个位置，并通过自注意力机制捕捉序列中远距离的依赖关系。

  2. Transformer-XL XLNet 使用了 Transformer-XL 作为其基础。Transformer-XL 是一种改进的 Transformer 架构，解决了标准 Transformer 在处理长序列时的效率问题。它引入了 记忆机制 来保持跨句子的信息，使得模型能够处理更长的依赖关系，而不是仅限于固定长度的输入序列。

  3. 排列语言建模（Permutation Language Modeling） XLNet 的最大创新是其 排列语言建模 机制。传统的自回归模型（如 GPT）只能从左到右或从右到左生成序列，而 XLNet 使用一种新的方法，通过随机排列输入序列中的词顺序，来进行预训练。这种随机排列允许模型从所有可能的词顺序中学习上下文信息，使得 XLNet 能够同时捕捉到双向的依赖关系。

架构细节

  1. 输入表示 与 BERT 类似，XLNet 采用了三种输入嵌入：

    • 词嵌入（Token Embeddings）：表示句子中的每一个词。

    • 段落嵌入（Segment Embeddings）：用于区分不同的句子或段落（类似于 BERT 的句子对任务中的 segment IDs）。

    • 位置嵌入（Position Embeddings）：表示词在句子中的相对位置。

    但是，XLNet 中的 位置嵌入 更灵活，因为输入序列的排列是随机的，因此它需要能够适应不同的排列。

  2. 多头自注意力（Multi-head Self-Attention） 自注意力机制是 Transformer 的核心。XLNet 的自注意力层允许每个词与其他所有词（无论距离多远）进行交互。通过 多头注意力，XLNet 能够在不同的子空间中捕捉到更丰富的上下文信息。

  3. 排列语言建模的实现 传统的语言模型（如 GPT）使用自回归的方法来预测下一个词，而 BERT 使用掩码语言模型（masked language modeling）进行双向建模。XLNet 使用 排列语言建模，具体实现方式是通过随机排列输入序列中的词，并让模型在新的排列顺序下预测某个词。

    例如，对于输入序列 "the cat sat on the mat"：

    • GPT 模型会从左到右预测 "the -> cat -> sat -> on -> the -> mat"。

    • BERT 会随机屏蔽某些词，并通过其他词预测被屏蔽的词。

    • 而 XLNet 会随机排列这个序列，例如 "cat -> the -> sat -> mat -> the -> on"，然后让模型预测每个位置的词。这种方法允许模型从不同的词序中学习上下文信息。

  4. 记忆机制 XLNet 通过 Transformer-XL 的 记忆机制 扩展了标准 Transformer 的能力。具体来说，Transformer-XL 会保存上一层中的隐藏状态，这些状态可以跨多个段落传递，从而使得 XLNet 能够捕捉更长的上下文信息。记忆机制解决了原始 Transformer 在处理长序列时丢失信息的问题。

  5. 目标函数 XLNet 使用了最大化 对数似然估计 的目标函数，即模型学习通过排列后的上下文来预测目标词。通过引入对数似然估计，XLNet 能够将自回归和双向上下文建模的优势结合起来。

XLNet 的架构流程图

从架构流程上可以总结为以下几个步骤：

  1. 输入词序列：首先输入一个句子的词序列，例如 "the cat sat on the mat"。

  2. 随机排列：对输入序列进行随机排列，生成新的词序列（例如 "cat -> the -> sat -> on -> the -> mat"）。

  3. 词嵌入和位置嵌入：对每个词生成相应的词嵌入和位置嵌入。

  4. Transformer 编码器：使用多层 Transformer 编码器（基于 Transformer-XL），通过自注意力机制和前馈神经网络来处理词的上下文关系。

  5. 记忆机制：利用 Transformer-XL 的记忆机制保留跨段落的上下文信息。

  6. 排列语言建模：模型根据排列后的输入序列进行训练，通过最大化对数似然估计预测目标词。

总结

XLNet 的架构基于 Transformer，但通过引入 排列语言建模 和 Transformer-XL 的记忆机制，改进了现有模型（如 BERT 和 GPT）的能力，能够在预训练阶段捕捉到更加丰富和完整的上下文信息。这使得 XLNet 在多个 NLP 任务中表现优异，尤其是在处理长序列和复杂上下文时具有优势。

Reference：

PreviousXLNetNextXLNet特点与其他比较

Last updated 8 months ago

https://www.borealisai.com/research-blogs/understanding-xlnet/