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KG-BERT BERT for Knowledge Graph Completion

原文 https://arxiv.org/pdf/1909.03193.pdf

一.背景补充

知识图谱普遍存在不完备的问题。以上图为例，黑色的箭头表示已经存在的关系，红色的虚线则是缺失的关系。知识图谱补全是基于图谱里已有的关系去推理出缺失的关系。由于BERT在NLP取得的成绩，作者将其迁移到知识图谱补全的应用上。

二.结构

作者设计了两种训练方式的KG - BERT, 可以运用到不同的知识图谱补全任务当中。

2.1 Illustrations of fine-tuning KG-BERT for predicting the plausibility of a triple

输入由三部分组成，$Head$，$Relation$，$Tail$。举个例子，$Head$可以是“Steven Paul Jobs was an American business magnate,entrepreneur and investor.” 或者“Steve Jobs”，$Relation$可以是“founded”，$Tail$可以是“Apple Inc. is an American multinational technology company headquartered in Cupertino, California.”或者“Apple Inc.”。用$[SEP]$分隔实体和关系。输入为3个向量的sum，即token, segment 和position embeddings。对于segment，实体的segment Embedding为$e_A$，而关系的segment Embedding为$e_B$。对于position ，相同position的不同token使用相同的position embedding。

对于输入的三元组$\tau=(h,r,t)$，目标函数为：

$S_{\tau}=f(h,r,t)=sigmoid(CW^T)，S_{\tau} \in \mathbb{R}^2,S_{\tau 0}, S_{\tau 1} \in [0,1]$

损失函数是$S$和$y$的交叉熵：

$L=-\sum_{\tau \in D^{+}\cup D^{-}}(y_{\tau}log(S_{\tau0})+(1-y_{\tau}log(S_{\tau1})))$

其中$y_{\tau}\in \{0,1\}$是标签。

关于负样本的构造，作者是将正样本的$Head$或者$Tail$变成随机替换成别的，如下

$D^{-}=\{(h^{'},r,t)|h^{'}\in E\cap h^{'}\neq h \cap(h^{'},r,t)\notin D^{+} \}\\\cup\{(h,r,t^{'})|t^{'}\in E\cap t^{'}\neq t \cap(h,r,t^{'})\notin D^{+}\}$

其中$E$为实体的集合。

2.2 Illustrations of fine-tuning KG-BERT for predicting the relation between two entities

作者发现直接使用两个实体去预测关系，效果优于使用两个实体和一个随机关系（这里本人认为一个随机的关系本来就是错误特征，感觉肯定会影响预测结果）。这里和2.1结构的差异在于：1.输入从实体加关系的三输入变成基于实体的双输入2.输出从二分类变成多分类

目标函数为：

$S_{\tau}^{'}=f(h,r,t)=softmax(CW^{'T})$

损失函数为$S^{‘}$和$y^{‘}$的交叉熵：

$L^{'}=-\sum_{\tau \in D^{+}}\sum_{i=1}^{R}y_{\tau i}^{'}log(s^{'}_{\tau i})$

三.实验

setting： We choose pre-trained BERT-Base model with 12 layers, 12 self-attention heads and H = 768 as the initialization of KG-BERT, then fine tune KG-BERT with Adam implemented in BERT.