SimCSE:（通过对比学习获得句子向量）

在很多 NLP 任务中都会用到句子向量，例如文本检索、文本粗排、语义匹配等任务。现在有不少基于 Bert 的方式获取句子向量，例如 Bert-flow 和 Bert-whitening 等，这些方法会对预训练 Bert 的输出进行变换从而得到更好的句子向量。本文介绍 SimCSE，SimCSE 通过对比学习的方法训练模型，取得 SOTA 的效果，并且可以用于有监督和无监督学习。在无监督的过程中，对于一个句子，SimCSE 通过 Dropout 构造正例，而语料库里面的其他句子作为负例。

1. 概述

句子向量 (Embedding) 和句子语义匹配是 NLP 的重要任务，不少研究都将 Bert 用于这些任务中获取句子的向量，其中分为有监督和无监督的方式。

无监督获取句子向量的常见方式有以下几种，得到句子向量后可以通过余弦相似度计算两个句子的相似性：

使用预训练好的 Bert 直接获得句子向量，可以是 CLS 位的向量，也可以是不同 token 向量的平均值。

Bert-flow，Bert-flow 出自论文《On the Sentence Embeddings from Pre-trained Language Models》，主要是利用流模型校正 Bert 的向量。

Bert-whitening，用预训练 Bert 获得所有句子的向量，得到句子向量矩阵，然后通过一个线性变换把句子向量矩阵变为一个均值 0，协方差矩阵为单位阵的矩阵。

有监督的方式主要是 Sentence-Bert (SBERT)，SBERT 出自《Sentence-BERT: Sentence Embeddings using Siamese BERT-Networks》，通过 Bert 的孪生网络获得两个句子的向量，进行有监督学习，SBERT 的结构如下图所示。

本文介绍 SimCSE，出自论文《SimCSE: Simple Contrastive Learning of Sentence Embeddings》。SimCSE 通过对比学习的方法进行训练，并且可以用于无监督训练。在无监督的时候，SimCSE 会把通过不同的 Dropout 得到一个句子的两个向量，作为正样本对，而语料库里的其他句子向量可作为负样本。

2. 对比学习

用 D 表示我们的数据集，数据集里面包含多个正样本对，如下面所示，x 表示句子，x+ 表示与 x 语义相关的样本：

通过模型可以得到句子 x 的向量 h，并计算两个向量的余弦相似度，如下:

对比学习训练的目标函数如下:

2.1 构造正样本对

对比学习的一个重要问题是如何构造正样本对，即通过 x 构造出 x+，有点类似数据增强。在图像领域这相对容易，通过对图像进行翻转、裁剪、加噪音、缩放等方式即可构造，而文本相对会难一些。

常见的文本数据增强方式有删除词组、替换近义词、互译等方式。但是这些方式都是离散的，有时效果并不理想，因此 SimCSE 通过 Dropout 的方式构造正样本对。

2.2 对比学习评价指标

alignment 和 uniformity 是对比学习中比较重要的两种属性，可用于衡量对比学习的效果。

alignment 计算所有正样本对之间的距离，如果 alignment 越小，则正样本的向量越接近，对比学习效果越好，计算公式如下。

uniformity 表示所有句子向量分布的均匀程度，越小表示向量分布越均匀，对比学习效果越好，计算公式如下。

3. SimCSE

下图是 SimCSE 的结构图，左边是无监督的 SimCSE，右边是有监督的 SimCSE。

3.1 无监督 SimCSE

无监督 SimCSE 最主要是对于同一个句子采用两个不同 Dropout Mask，得到两个不同的句向量作为正样本，如下。

训练的目标函数如下:

作者对比了 Dropout 和其他数据增强方法的效果 (评价指标是 Spearman 相关系数)，结果如下表所示，其中 None 表示 SimCSE 用到的 Dropout 方法，可以看到通过 Dropout 生成正样本的效果比其他数据增强方式好。

作者也通过 alignment 和 uniformity 这两个指标验证无监督 SimCSE 的效果，如下图所示。其中 "Fixed 0.1" 表示对于 x 和 x+ 使用相同的 Dropout (p=0.1)，Unsup. SimCSE 表示无监督 SimCSE，箭头表示训练的变化过程。

可以看到 "Fixed 0.1" 和 "No dropout" 这两种方法随着训练的进行可以减小 uniformity 的值，但是 alignment 却会变大。而 "Unsup. SimCSE" 和 "Delete one word" 可以在 alignment 保持稳定的情况下，减小 uniformity 的值。

另外一方面，SimCSE 与 "Delete one word" 相比，SimCSE 的 alignment 相对大了一些，但是 uniformity 却小了很多，因此 SimCSE 效果比 "Delete one word" 更好。

3.2 有监督 SimCSE

SimCSE 也可用于有监督训练，例如可以使用自然语言推理数据集 (SNLI 和 MNLI) 进行有监督学习，自然语言推理数据集包含很多句子对，句子对有三种关系: 蕴含 (entailment), 中性 (neutral), 矛盾 (contradiction)。可以把蕴含和中性的句子对作为正样本，矛盾的句子对作为负样本进行训练。

下面是有监督 SimCSE 的实验效果，其中 Unsup. SimCSE (无监督 SimCSE) 是在 SNLI+MNLI+ANLI 数据上训练的，其效果比有监督的差。

下面是各种常见句子向量算法的对比，可以看到 SimCSE 的效果最好。

4. 参考文献

SimCSE: Simple Contrastive Learning of Sentence Embeddings

Sentence-BERT: Sentence Embeddings using Siamese BERT-Networks