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1.1 标准微调 标准微调是最基础的形式通常指的是在整个预训练模型的所有可训练层上进行进一步训练尤其是对于Transformer架构的模型如BERT、GPT-3等。这意味着所有权重都会根据新的目标任务进行更新。 标准微调是深度学习特别是预训练模型迁移学习中最基本的一种技术手段。在这一过程中首先有一个已经在大规模无标签数据上预训练好的模型例如BERTBidirectional Encoder Representations from Transformers或GPT-3Generative Pretrained Transformer 3这样的模型它们已经在诸如语言模型任务上积累了丰富的语言理解能力和模式识别能力。
当面临特定下游任务时如文本分类、命名实体识别、问答系统等我们会采用标准微调的方式
将预训练模型应用于新任务的数据集上并保持模型的整体架构不变。打开所有可训练的权重参数即包括所有的隐藏层、自注意力层、全连接层等的权重。在新任务的有标签数据集上进行监督学习通过反向传播算法更新所有可训练的权重使得模型能够根据具体任务的目标函数如交叉熵损失函数进行优化。通过微调过程模型会基于预训练获得的基础能力之上进一步学习和适应下游任务的特定模式和规律。 这种方式的优点在于可以充分利用预训练模型所学的通用特征同时通过对整个模型的调整来针对性地解决特定问题因此在很多实际应用中取得了很好的效果。然而缺点可能包括训练时间较长、容易过拟合等问题尤其在资源有限或者数据不足的情况下需要寻求更加精细化的微调策略。
1.2 部分层微调 只对预训练模型的一部分通常是顶层或最后几层进行微调而保持底层的大部分权重不变。这种方法旨在利用底层通用特征表达的同时让模型的高层能更好地适应新任务。 部分层微调是深度学习领域中一种常见的微调策略特别是在资源有限或者为了避免过度拟合新任务数据时。这种技术的核心思想是在预训练模型的基础上我们认识到模型的底层或者说早期层通常学习到的是较为通用、抽象的特征表示这些特征在各种不同的任务中都能起到作用。而模型的高层或后期层则更多地关注于针对特定任务的细节和差异。 因此在部分层微调中我们选择仅对模型的顶层或最后几层进行参数更新这些层通常负责将底层的通用特征映射到特定任务的空间。底层的权重参数被冻结不会在新任务的训练过程中发生变化从而保留了预训练模型在大量数据上学习到的基本特征提取能力。 这种策略的优势在于
节省计算资源和训练时间因为只需要训练模型的一小部分。避免对预训练模型中已经学习到的有效特征表达产生过大干扰有利于保持模型在不同任务之间的泛化能力。特别适合于数据量相对较小的任务可以有效避免过拟合现象。 然而部分层微调的缺点在于可能无法充分挖掘预训练模型在解决新任务方面的全部潜力特别是在某些任务与预训练任务相差较大的情况下可能需要对更多层甚至整个模型进行微调才能达到最优性能。 1.3 Adapter微调 Adapter模块是一种插入到预训练模型各层之间的小型可训练模块它们通常包含一个线性变换层加上一个非线性激活函数允许模型在不改变原模型参数的情况下进行微调。 Adapter微调技术是一种在不改变预训练模型原有参数的前提下为模型增加可训练模块以适应新任务的方法。这种技术主要在自然语言处理NLP和其他深度学习领域中应用广泛。 Adapter模块通常插入到预训练模型每一层尤其是Transformer架构中的每一层Self-Attention或Feed-forward层之后的内部作为一种插件式的扩展组件。Adapter模块由两部分构成 线性变换层Linear Transformation LayerAdapter模块首先包含一个小型的线性层它会对当前层的输出进行降维和升维操作。降维是为了减少计算复杂度升维则是为了恢复原有的维度以便继续传递给下一层。 非线性激活函数Non-linear Activation Function在这一步骤中通常会加入ReLU、GeLU等非线性激活函数以引入模型的非线性表达能力增强模型的适应性和表达力。 在微调过程中只有Adapter模块的参数会被更新而预训练模型中原有的权重则保持不变。这样做既可以利用预训练模型中学习到的高质量特征表示又能在有限的计算资源下通过仅训练少量新增参数来适应新的任务从而实现了高效且灵活的迁移学习和微调。相较于标准微调和部分层微调Adapter微调在保持模型大小可控和节省计算资源方面具有显著优势。 1.4 LoRA (Low-Rank Adaptation)
LoRA提出了一种低秩约束的参数调整方式通过向原始模型参数添加低秩矩阵来进行微调而不是直接修改原参数这样既降低了存储成本又减少了对预训练知识的潜在破坏。
LoRALow-Rank Adaptation是一种创新的微调技术特别适用于大型预训练模型如Transformer架构的模型。在传统的微调过程中通常会对整个模型的参数进行全面更新这可能会导致存储成本增加同时也可能对预训练模型中积累的有用知识造成潜在破坏。
LoRA提出了一个新的思路即不是直接修改预训练模型的原始参数而是通过添加低秩矩阵的方式来调整模型的行为。具体来说对于模型中的每一个权重矩阵WLoRA不直接更新W而是引入两个低秩矩阵ΔU和ΔV用这两个矩阵相乘的结果去修正原始权重矩阵
W W ΔU ΔV^T
其中代表矩阵乘法ΔU和ΔV的秩远低于原始矩阵W的秩这意味着需要存储的额外参数大大减少从而有效地降低了存储成本。
此外由于只对模型进行了低秩扰动而非全局重写所有参数这种方法能够在很大程度上保留预训练模型中的知识同时还能针对新任务进行有效的微调。这种特性使得LoRA在资源受限环境或者希望尽可能保护预训练知识的场景下成为一种极具吸引力的微调策略。 1.5 Prefix-Tuning / Prompt-Tuning
这两种方法是针对Transformer类模型提出的轻量级微调机制
Prompt-Tuning则更聚焦于模型的输入层面通常在自然语言处理任务中通过改变模型输入的“提示词”或“提示模板”并仅训练这些提示词相关的参数来调整模型行为。
Prompt-Tuning概念实际上是指对预训练语言模型进行微调的一种策略该策略尤其适用于那些具有可编程性输入的模型如GPT-3等。虽然您的描述接近于Prompt Engineering提示工程的概念在Prompt-Tuning的具体技术实现上略有差异
Prompt-Tuning并不直接改变模型输入的“提示词”或“提示模板”而是在模型输入序列的开头或者嵌入层(embedding layer)部分增加一个可训练的“提示向量(prompt vector)”或称“提示 token embeddings”。这些额外的参数被专门设计用来引导模型在不同的下游任务中产生合适的上下文理解及输出。
相较于Prefix-Tuning在每个自注意力层添加前缀向量Prompt-Tuning往往涉及更少的额外参数通常只在输入表示阶段添加可训练的向量并调整这些参数来影响整个模型对输入的理解和生成的响应从而达到微调模型在特定任务上的表现的目的。这样做的好处同样是避免了对预训练模型所有权重的大规模更新从而可能减少过拟合的风险并提高泛化能力。
Prefix-Tuning会在每个自注意力层的输入序列前面添加一组可训练的“前缀”向量作为附加的提示信息通过仅训练这些前缀向量来指导模型生成特定任务的输出。
Prefix-Tuning 是另一种用于微调预训练语言模型的有效方法尤其是针对Transformer架构的模型比如GPT系列模型。与LoRA不同的是Prefix-Tuning 不改变原有模型参数而是引入了新的可训练参数——“前缀”向量(prefix vectors)。
在Prefix-Tuning中对于每个自注意力层(self-attention layer)在输入序列的起始位置会固定地附加一组可学习的向量。这些“前缀”向量在整个模型处理任何给定任务的输入时都会保持不变并且它们会被优化以适应特定下游任务的需求。当模型在执行推理时前缀向量会参与到自注意力机制中引导模型基于预先学习到的语言结构和模式生成更符合特定任务需求的输出。
这种技术的核心优势在于它仅需训练相对较少的新参数即前缀向量而无需调整原始模型的所有参数因此能够有效利用预训练模型的知识并减轻过拟合风险同时简化了微调过程降低了计算资源要求。
1.6 BitFit BitFit方法仅微调模型的偏置项bias terms而不改变权重矩阵从而实现高效且有效的微调。 BitFit是一种针对预训练模型进行微调时提出的轻量级优化方法。这种方法由Alexey Dosovitskiy等人在《Language Models are Few-Shot Learners》这篇论文的相关研究中提及但并非原论文提出的技术而是后续研究者在探索更高效微调方案时的一个创新点。 具体来说BitFit策略主要是针对预训练语言模型中的各个层的偏置项(bias terms)进行微调。在神经网络中每一层的权重参数通常包括两部分权重矩阵和偏置项。权重矩阵负责捕捉特征之间的关系而偏置项则用于调整每层输出的全局平均值。 相比于全面微调所有模型参数或者采用Prompt-Tuning等仅微调部分额外参数的方法BitFit进一步减少了需要调整的参数数量仅关注于每个线性变换层的偏置参数。由于偏置项对于模型输出的影响相对较小但仍然关键因此通过针对性地微调这些参数BitFit能够在许多情况下实现比较好的性能提升同时保持微调过程更为高效和计算资源消耗更低。这一方法在小样本学习场景下尤为有用因为它可以减轻过拟合风险并能更快地适应新任务。
1.7 Layer-wise Fine-tuning 或 Progressive Unfreezing 分层微调是一种逐步解冻模型层的方法从模型的顶层开始微调然后逐层向下逐渐解冻更多层进行训练有助于平衡预训练知识的保留和新任务的学习。 Layer-wise Fine-tuning 或称为 Progressive Unfreezing这是一种逐步释放预训练模型中各层权重冻结状态的微调策略。在初始阶段通常仅对模型的顶层输出层进行微调这是因为这部分最接近预测目标需要对新任务的输出空间有更强的适应性。底层的层则保持冻结状态保留预训练期间学习到的通用特征表示能力。 随着训练过程的推进按照一定的策略如每经过一定轮次训练就解冻一层或者依据验证集性能决定何时解冻下一层逐步解冻更深层的权重使其也能根据新任务进行调整。这样一来模型既能充分利用底层的预训练知识又能逐步习得新任务特有的高层特征。 此方法有助于平衡模型对预训练知识的依赖和对新任务的学习特别是在数据有限的情况下能够缓解过拟合问题提高模型在新任务上的泛化能力。不过这种方法也需要仔细权衡解冻层数和训练轮数的关系以及如何在保证预训练知识有效性的同时最大化模型对新任务的学习效果。 每种微调技术都有其适用场景和优势选择哪种方法取决于具体任务的需求、资源限制以及模型结构等因素。随着研究的深入和技术的发展更多的微调策略将会被提出和优化。 2.微调的过程 深度学习模型微调Fine-tuning是指在预训练模型的基础上针对特定任务进行进一步的训练过程。预训练模型通常是在大规模数据集上通过训练得到的具有较好的泛化能力和对特征的学习能力。当我们的任务数据集较小或者与预训练模型原始训练数据集相关时可以通过微调预训练模型来快速提升模型在新任务上的性能。
微调的过程主要包括以下步骤 加载预训练模型首先加载已经在大规模数据集上训练好的模型及其参数。 修改模型结构可选根据新的任务需求可能需要在预训练模型顶部添加或修改一些层以适应新的任务例如在图像分类任务中可能需要在预训练的卷积神经网络后面添加一个全连接层用于输出类别。 冻结部分层可选在开始微调时可以选择冻结模型的部分层即在训练过程中不更新这些层的参数仅对未冻结层进行训练。这可以防止在有限的新任务数据上过拟合并保留预训练模型已学到的良好特征表示。 训练模型使用新任务的数据集对模型进行训练更新模型参数。这里的训练通常采用较低的学习率以免破坏预训练模型中已经学到的有效特征。 调整超参数根据新任务的特点和模型在验证集上的表现调整优化器、学习率、正则化等超参数以达到最优效果。
通过以上步骤深度学习模型能够在预训练的基础之上针对具体任务进行微调从而获得更好的性能。这一方法在自然语言处理如BERT、GPT系列等、计算机视觉等领域得到了广泛应用。
3.微调基本原理 微调Fine-tuning是深度学习中的一项关键技术主要用于迁移学习Transfer Learning的场景特别是在自然语言处理NLP和计算机视觉CV等领域。微调的基本流程如下 预训练模型 首先选择一个已经在大规模数据集上预训练过的模型如在ImageNet上预训练的图像识别模型或在海量文本数据上预训练的自然语言模型如BERT、GPT系列。这些模型在预训练过程中学习到了丰富的特征表示和模式。 模型结构调整 对于新任务可能需要根据具体情况调整模型结构。例如在图像分类任务中可能需要替换掉预训练模型的最后一层即输出层以匹配新任务所需的类别数目在NLP任务中可能需要添加特殊的“提示”prompt或适配器adapter模块。 参数冻结与微调 标准微调所有可训练层都参与训练根据新任务的数据重新调整所有权重。部分层微调仅对模型的顶层或部分层进行训练底层特征提取层保持冻结以利用预训练模型学习到的通用特征表示。Adapter微调在模型层间插入小型可训练模块这些模块不影响原始模型参数但能适应新任务。其他轻量级微调技术如LoRA、BitFit等仅调整一小部分参数如偏置项或低秩矩阵。 训练过程 使用新任务的数据集对模型进行进一步训练。训练时通常采用较小的学习率防止对预训练模型的优良特征表示产生过大的扰动。 目的 微调的主要目的是使预训练模型能够适应新任务通过保留预训练模型学习到的通用特征同时针对新任务调整模型的特定部分从而达到在新数据集上取得更好性能的效果。 总的来说微调是一个结合预训练模型的强大泛化能力与新任务特性的过程通过针对性地训练少量参数或层实现模型在新场景下的快速适应和性能提升。
4.微调的理论基础
微调的理论基础主要建立在以下几个核心概念上 迁移学习Transfer Learning 微调是迁移学习的一种实践形式其核心理念是认为在某个大数据集上训练得到的模型可以将其学到的通用特征和模式迁移到另一个相关但数据有限的任务中。预训练模型捕获了大量的底层特征和高层语义这些知识可以在新任务上复用。 深度学习模型的层次表征 深度学习模型尤其是CNNs和Transformers等具有分层次的特征学习能力底层通常学习到的是较通用的特征而高层则更侧重于任务相关的抽象特征。微调策略如部分层微调正是基于这个理论仅微调高层以适应新任务底层保持不变以保留通用特征。 欠拟合与过拟合的平衡 在有限数据条件下微调有助于避免过拟合因为它允许模型在预训练的权重基础上进行小幅度调整而不是从头训练所有参数。同时恰当的微调策略也可以帮助模型在欠拟合和过拟合之间找到平衡点提升模型在新任务上的泛化能力。 稀疏交互假设 在自然语言处理领域一些微调方法如Prefix-Tuning和Prompt-Tuning基于“稀疏交互”假设即模型的大部分权重不变只需通过少数几个参数如提示向量或前缀向量与模型进行交互就能有效引导模型适应新任务。 贝叶斯观点 从贝叶斯角度来看预训练模型可以视为对参数分布的一个先验估计微调就是在已有先验知识的基础上结合新任务的数据进行后验推断从而得到针对新任务的最优参数估计。
综上所述微调的理论基础涵盖了迁移学习、深度学习模型的层级表征理论、优化理论以及统计学习理论等多个方面通过合理运用这些理论我们可以有效地在预训练模型上进行微调以解决各类下游任务。
