深入解析Transformers、BERT與SBERT：從原理到應用原創精華

發布于 2025-2-7 16:28

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01、概述

在人工智能領域，尤其是自然語言處理（NLP）中，Transformer、BERT和SBERT已經成為技術發展的基石。然而，很多人對它們的工作原理、優缺點以及實際應用還不夠了解。本篇文章將深入解析這些技術，從基礎概念到最新進展，幫助你掌握背后的關鍵邏輯。

02、Transformers：NLP領域的“革命性武器”

1）什么是Transformer？

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Transformer模型誕生于2017年，最初是為了解決機器翻譯問題。如今，它已經成為幾乎所有大規模語言模型（LLM）的核心。

Transformer模型的架構由兩個主要模塊組成：編碼器（Encoder）和解碼器（Decoder）。

編碼器：將輸入轉換為矩陣表示，用于捕捉上下文信息。
解碼器：基于編碼器輸出生成最終的結果，如翻譯句子或預測下一步文本。

經典的Transformer模型每個模塊由6層堆疊而成，而這些層都依賴一個核心機制：多頭自注意力機制（Multi-Headed Self-Attention）。

2） Transformer的優勢：捕捉全局上下文

與早期的RNN或LSTM不同，Transformer模型可以捕捉整個輸入序列的全局上下文，而不僅僅是單個詞的局部信息。這種特性讓它在處理長文本時表現出色。

3） Transformer的局限性

盡管Transformer在許多任務中表現出色，但在某些場景下仍存在不足。例如：

僅考慮歷史信息：Transformer的注意力層通常只關注“過去的上下文”，對于某些需要前后雙向理解的任務（如問答）表現會受限。

舉個例子：

“John帶著Milo參加了聚會。Milo在聚會上玩得很開心。他是一只白色的貓。”

如果我們問：“Milo是否和John在聚會上喝酒了？”

僅依賴前兩句，模型可能回答“玩得開心可能意味著喝酒了”；但如果能結合第三句——“Milo是一只貓”，答案顯然是“不可能”。

這時，我們需要一個能夠同時理解前后文的模型，這便是BERT。

03、BERT：雙向編碼的“語義大師”

1）什么是BERT？

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BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）是基于Transformer編碼器開發的模型，但與Transformer不同的是，BERT采用雙向自注意力機制，能夠同時理解句子前后文的信息。

BERT的設計使其特別適合處理像問答、文本摘要等任務。它通過引入特殊的標記（如[CLS]和[SEP]），讓模型能夠更好地區分問題和答案，進而進行上下文推理。

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2） BERT的訓練方法

BERT的強大來源于兩種預訓練任務：

掩碼語言模型（Masked Language Model, MLM）：隨機遮蓋輸入文本的15%的詞匯，模型需要預測被遮蓋的詞是什么。
下一句預測（Next Sentence Prediction, NSP）：判斷兩句輸入文本是否是相鄰句。

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3） BERT的局限性

盡管BERT在語義理解上表現強大，但它在處理大規模相似性搜索任務時表現欠佳。例如，當需要在10,000條句子中找到與某個句子最相似的一條時，BERT需要對每個句子對進行兩兩比較，計算量巨大。這種二次復雜度使其難以在大規模語義搜索中應用。

于是，SBERT應運而生。

04、SBERT：專注于語義相似度的革新模型

1）什么是SBERT？

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SBERT（Sentence-BERT）通過在BERT的基礎上引入Siamese網絡（孿生網絡），解決了大規模相似性搜索的計算瓶頸。

與BERT不同，SBERT不需要每次都對句子對進行比較，而是先對每個句子生成獨立的固定長度向量（如1×768維度），然后再通過簡單的數學運算（如余弦相似度）來比較句子間的相似性。

2） SBERT的架構與特點

SBERT的架構引入了池化層（Pooling Layer），將BERT的輸出從高維度（如512×768）簡化為低維度（如1×768），大幅降低了計算復雜度。此外，它還支持三種訓練方式：

自然語言推理（NLI）：基于分類任務（如“推斷”“中性”“矛盾”）進行訓練。
句子相似度（Sentence Similarity）：直接優化余弦相似度，適合語義相似任務。
三元組損失（Triplet Loss）：通過比較錨點句、正樣本句和負樣本句的距離，優化語義表示。

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3） SBERT的實際應用

SBERT已經成為構建檢索增強生成（RAG）流水線的核心工具。通過開源庫sentence-transformers，你可以輕松生成句子嵌入，并進行語義搜索。以下是簡單的代碼示例：

# 安裝庫
!pip install sentence-transformers

# 加載模型
from sentence_transformers import SentenceTransformer
model = SentenceTransformer('bert-base-nli-mean-tokens')

# 生成句子嵌入
sentences = [
    "今天的天氣真好。",
    "外面陽光明媚！",
    "他開車去了體育場。",
]
embeddings = model.encode(sentences)

# 計算相似度
similarities = model.similarity(embeddings, embeddings)
print(similarities)