transformer论文解读

1. 相关工作

CNN 的的卷积核窗口大小有限,每次只能看比较短的部分序列,但是它的多通道机制被认为可以去识别多模式,transformer 论文参考这个机制,在 attention 的机制进一步引出了 Muti-Head Attention,来模拟卷积层的多输出通道效果。

Self-attentiontransformer 论文之前已经有人提出,但 transformer 是第一个只依赖自注意力机制(self-attnetion)来实现 encoder-decoder 架构的模型。

2. 模型架构

(直到 GPT 出来之前)大多数有竞争力的神经序列转换模型都是采用编码器-解码器结构,transformer 模型也不例外。

编码器将输入的符号表示序列 (x1,x2,,xn) 映射为一个连续表示序列 (z1,z2,,zn)。得到编码器输出序列 z 后,解码器逐个元素的生成符号的输出序列 (y1,y2,ym)。解码器输出是自回归的,将当前轮的输出和输入拼接,作为下一轮的输入。

Transformer 的基本组件是: point-wiseself-attentionadd & normfeed forwardlinearsoftmax

为了方便残差连接,模型中的所有子层 Sub Layer 以及嵌入层 Embedding Layer 都生成维度为 dmodel=512 的输出向量。

3. 如何理解 Layer Norm

NLP/Transformer 模型的输入是三维向量batch、句子序列长度 n、单词映射为 embedding vector 都分别表示为一个维度。

Batch normlayer norm 的区别一句话总结就是 bn 是切特征,ln 是切样本。

  • BN: 对于每个特征维度,计算它在整个批次中的均值和标准差,然后对该特征进行归一化。
  • LN: 对每个样本单独计算其所有特征的均值和标准差,然后在该样本内进行归一化。
BN 和 LN 的区别

Layer Norm 层的计算可视化如下图所示:

Layer Norm

4. Encoder 和 Decoder 结构

Decoder 同样由 N=6 个相同的层组成。Decoderattention 是带掩码的,确保位置 i 的预测只能依赖于小于 i 的已知输出。

5. 从 attention 到 Scaled Dot-Product Attention

标准自注意力的数学表达式如下:

Attention(Q,K,V)=softmax(QKTdk)V

1,首先,注意力函数可以描述为将一个查询(query)和一组键-值对(key-value pairs)映射到一个输出 output,qkv 都是向量。输出都是对 value 进行加权求和得到的,每个 value 对应的权重 weight 是通过 qk 之间的相似度计算得到。

2,将 q 和 k 的内积作为相似度(Dot-Product),然后除以向量的长度 dk(Scaled),结果再应用 softmax 函数,就会得到 n 个非负且相加求和等于 1 的权重向量,最后将权重应用于 value,就得到了最终输出 output。

余弦相似度常用来比较两个向量的相似度(距离),伪代码如下:

CosineSimilarity = sum(x[i]*y[i])/(sqrt(sum(x[i]*x[i]))*sqrt(sum(y[i]*y[i])))。

实际中,为了方便计算,会同时对一组查询(queries)计算注意力函数,将 q、k、v 都是构建成矩阵 QKV( 维度相等),涉及到两个矩阵乘法。

作者提到当向量维度变大的时候,softmax 函数会造成梯度消失问题,所以设置了一个 softmax 的 temperature 来缓解这个问题。这里 temperature 被设置为了 dk

作者提出的注意力机制算法跟之前的 Dot-Product Attention 相比就是单纯多了 Scaled(除以 dk)。

另外 decoder 模块的 attention 多了一个 Mask,实际是第 t 时刻的 q 只能看前面阶段的对应的 (k,v) 对,计算当中表现就是对于 qtkt 及其之后的那些权重值都替换成一个极大的负数,这样经过 softmax 后(做指数 ewt),对应位置的 v 就变成了 0。

6. Multi-Head Attention

Scaled Dot-Product Attention 是不带任何参数的!

与其做单个的注意力函数,不如将 QKV 投影到一个低维度、投影 h 次,然后再做 h 次的自注意力函数,并将这 h 个函数的输出拼接在一起,最后再次进行线性投影回来。

Multi-Head Attention=Concat(head1,.,headh)WoWhere headi=Attention(QWiQ,KWiK,VWiV)

QK 的线性(映射)层的权重维度是 [dmodel,dk]V 的线性(映射)层的权重维度是 [dmodel,dv],输出线性(映射)层权重维度是 [hdv,dmodel]

作用:多头注意力机制可以注意到不同子空间的信息,捕捉到更加丰富的特征信息,实现类似卷积核的多通道机制的效果

从 scaled dot producted attention 到 multi-head attention

7. Transformer 的三个 multi-head attention 的原理和作用

三个 multi-head attention

原理

  1. 解码器中的第二个注意力层,其查询 q 来自前一层的解码器层,但 kv 来自于编码器最后一层的输出。
  2. 编码器第一个注意力层:不考虑多头和线性投影层的情况,三个输入 q k v 本质上都是一个东西,三个输入都是原始输入本身自己,输出就是输入本身的加权和,而权重又来源自己本身跟跟各个向量的相似度函数,所以也叫自注意力层(self-attention)。
  3. 解码器的第一个注意力层:编码器的最终输出作为 key value 输入进来,解码器下一层的输出作为 query 输入进来。

作用

  1. Self-Attention (自注意力):对于每个位置上的 token,Self-Attention 将其与序列中的所有其他位置进行关联,从而使模型能捕捉到句子内部的语义关系。
  2. Encoder-Decoder Attention (编码器-解码器注意力):允许解码器在生成下一个词时参考编码器的输出。这种机制实现了输入和输出序列之间的联系,是实现翻译等任务的关键所在。
  3. Masked Self-Attention (掩码自注意力):过掩码机制屏蔽掉序列中未来位置的 tokens,从而确保模型预测生成的每个 token 仅依赖于当前生成位置之前的 tokens。

从 nlp 角度理解 Attention + MLP: Attention 负责从全局的角度把整个序列的信息聚合起来(捕捉上下文信息 + 信息聚合),然后用 MLP 做语义的转换。

8. Embedding 和 Softmax 层

Embedding 层的作用学习一个长为 dmodel 的向量来表示 token,编码器和解码器的输入都需要 embedding 层,两个嵌入层和 softmax 之前的线性变换之间共享相同的权重矩阵重(维度都是一样的),并且将权重值乘以 dmodel

学习 embedding 时,可能会把每个向量的 L2\ norm 学得相对较小(维度越大权重值越小),乘以 dmodel 后放大,使得和 PE 相加时在 scale 上匹配。

L2 归一化(L2 Norm)是一种将向量缩放到单位长度的操作,使得向量的模为1。对于一个给定向量 v ,L2 归一化后的向量 v^,计算公式如下:

v^=vv2

9. Positional Encoding

Attention 层的输出本身是不具备时序信息的,因为其本质是 value 向量的一个加权和,而权重是 querykey 的距离,跟序列信息无关。把输入 tokens 位置打乱,attention 的输出向量的所有元素的值大小不会变化,只有元素位置的变化,这显然不符合直觉。

而 Position encoding 层的作用是使得生成的 embedding vectors 值跟位置相关(加入时序信息),更符合人类文字的意义(文字的位置打乱,相应语义肯定会变化)。它的做法是将位置信息编码为向量,并将这些向量加到输入的嵌入向量中。Positional Encoding 通常通过以下公式计算:

PE(pos,2i)=sin(pos/100002i/d)PE(pos,2i+1)=cos(pos/100002i/d)

10. 为什么使用 self-attention!

比较了四种不同的层: self-attention、rnn、cnn、self-attention (restricted),分别比较了计算复杂度FLOPs、顺序操作(并行度)、最大路径长度。

参考资料

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