论文阅读_对比学习

英文题目：SimCSE: Simple Contrastive Learning of Sentence Embeddings
中文题目：SimSCE：用简单的对比学习提升句嵌入的质量
论文地址：https://export.arxiv.org/pdf/2104.08821.pdf
领域：自然语言处理，对比学习
发表时间：2021.04
作者：Tianyu Gao, 普林斯顿大学，清华大学
出处：EMNLP
被引量：83
代码和数据：https://github.com/princeton-nlp/SimCSE
阅读时间：2022.09.18
(周五同事分享，简单整理笔记)

读后感

主要用于提升句嵌入的质量。方法很简单，利用BERT模型本身的dropout性质，通过同一输入输出不同嵌入作为正例对，然后取同一batch下的反例对训练模型。

介绍

自监督学习主要包含：生成式，对比式，对抗式。其中的对比学习原理是：利用无监督数据，通过巧妙的方法构造正例/反例（一般是一个正例对应多个反例），训练模型，让正例距离足够近，反例距离足够远，以利用无监督数据，进行更好地表示（表征）。
一般设计包含三部分：构造正/负例；优化损失函数；调整模型编码器。

评价对比学习的质量有两个关键指标：alignment和uniformity。其中alignment指的是正例中数据对表示的一致性:

uniformity指的是嵌入空间分布的均匀性：

其中Pdata指空间中所有实例。也就是说正例距离越近越好，而随机采样的数据对的距离应该分布在超球体表面。

方法

无监督数据训练SimCSE

之前生成近似正例的方法有：随机增删，近义词替换，交换词序等。本文利用 BERT 模型本身包含 dropout，这样同一个句子两次送入模型，由于随机dropout，最终的编码也不同。用这种方法作为数据增强，生成对比学习中的正例对，使用同一batch中的其它实例作为反例。损失函数定义如下：

表-1对比了文中方法和其它常用方法（删词，剪切），在同义句子匹配STS-B任务中的效果：

图-2把损失拆分成alignment和uniformity，位置处于左下角时效果最好（两个loss都小）；可以看到随着迭代训练损失的变化（箭头方向），其中红色线为SimSCE在两个评测方向的变化相对最好。

有监督数据训练SimCSE

文中还研究了SimSCE对比学习如何利用有监督学习的数据来提升模型的表现力。具体使用自然语言推理任务（NLI）数据，NLI用以判断两个句子的关系是：蕴含、中性或矛盾。利用训练集中的标注信息产生对比学习中的正/负例。

选择标注数据
为对比 NLI 的提升效果，先探索了一些构造正例的方法：

使用Kaggle比赛的QQP数据集，它的训练数据标注了两个问句语义是否相同。
使用Flickr30，对每个图片人工标注了五个标题，可将其中的两两标注组成正例对。
使用ParaNMT，大规模的反向翻译数据集（如：中->英->中），作为正例对。
使用NLI任务数据集，最终NLI数据集效果最好，这是由于它包含高质量的众包人工标注，并且正例中词汇重合度小（同一词在两个正例对中均出现）。

将矛盾关系对作为硬负例
为了更好利用NLI数据集，利用标注为矛盾的实例，生成硬负例，并修改了损失函数，实验证明了它的有效性：

可以看到，这里硬负例被充分利用（被计入了N次），图-4展示了实验结果：

为了公正的对比，sample列只采样了134k正例来训练模型。可以看到不同任务训练的模型对 STS-B 效果的提升。

各向异性

各向异性意思是所有向量都被映射在了一个“狭窄”的高维空间。而uniformity是评价所有实例在向量空间中是否均匀分布，SimCSE在uniformity方面提升，也改善了自然语言编码的各向异性问题。

图-3对比了目前各种流行模型的alignment和uniformity：

实验

主实验使用句子相似度任务，在有监督和无监督两方面，对比了不同方法的效果：

可以看到SimSCE效果已超过了目前业界使用最为广泛SBERT（挛生网络）模型。