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WordPiece详解

1. 定义与背景

WordPiece 是一种子词分词算法，由谷歌于2012年提出，最初用于语音搜索系统，后广泛应用于机器翻译和BERT等预训练模型。其核心思想是将单词拆分为更小的子词单元（如词根、前缀/后缀），从而解决传统分词方法面临的词汇表过大和未知词（OOV）处理难题。例如，在BERT中，WordPiece通过子词拆分实现了对复杂词汇的灵活处理。

2. 核心原理与算法步骤

WordPiece 的流程可分为以下步骤：

a. 初始化与预分词

• 初始词汇表：从基础字符（如字母、汉字）开始，并添加特殊标记（如[UNK]表示未知词）。
• 预分词：将文本按空格或标点分割为单词，例如将句子“hugging face”拆分为["hugging", "face"]。

b. 子词拆分与合并规则

• 拆分前缀：每个单词的非首字符添加前缀（如##），例如“word”拆分为["w", "##o", "##r", "##d"]。
• 合并策略：基于互信息分数选择合并的子词对，公式为：
  $$\text{score}=\frac{\text{词对频率}}{\text{首子词频率}\times \text{次子词频率}}$$
  优先合并低频但共现频繁的子词对，以最大化训练数据的似然概率。

c. 迭代构建词表
重复合并最高得分的子词对，直至达到预设的词汇表大小或似然增益低于阈值。

3. 与BPE的对比

WordPiece 常与BPE（Byte-Pair Encoding）对比，二者关键差异如下：

特征	BPE	WordPiece
合并标准	选择频率最高的子词对	选择使数据似然最大化的子词对
前缀处理	无特殊符号	非首字符添加##标记
应用场景	GPT-2、RoBERTa	BERT、多语言模型
语言模型依赖	无	需预训练语言模型辅助评分

示例：对于词对("un", "happy")，若un出现100次，happy出现200次，且共现50次，则BPE直接合并（因共现频率高），而WordPiece计算得分为$50/(100\times 200)=0.0025$，可能因分数低而不合并。

4. 实际应用案例

• BERT模型：WordPiece是BERT默认的分词器，通过处理长尾词汇（如“unhappiness”拆为["un", "##happiness"]）提升模型泛化能力。
• 机器翻译：将罕见词（如德语复合词“Donaudampfschifffahrtsgesellschaft”）拆分为子词，避免OOV问题。
• 多语言模型：mBERT使用WordPiece支持104种语言，通过共享子词实现跨语言迁移。
• 中文处理：虽然中文以字为单位，但WordPiece仍用于拆分专有名词（如“BACE1”拆为["BA", "##CE", "##1"]）。
  

5. 具体分词示例