Transformer及其改进型总结

Transformer是Google提出的用来解决LSTM建模长期依赖乏力的问题全新架构模型，同时其网络架构的设计全部考虑如何并行化，包括self-attenion机制、multi-head self-attention机制、FFW全部都是可以并行计算的，Add&Norm中Add类似预ResNet的shortcut，是为了解决深层模型梯度消失的问题，LayerNorm可以加速计算，这全部都是在为后面的大规模预训练模型做准备。Transformer的提出在NLP中具有里程碑式的意义，现在取得成功的Bert系列基于Transforner Encoder，GPT系列基于Transformer Decoder。这篇文章将不再赘述Tranformer的架构，想必大家应该已经跟熟悉了，这方面有大量的文章可供阅读。本篇博客聚焦于Transformer的改进路线，也是NLP面试常见问题。

Transformer

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Transformer-XL

Transformer作为一种特征提取器，在NLP中有广泛的应用。但Trm需要对序列设置一个固定长度，如果序列超过该长度，需要将句子划分成多个segment，训练的时候每个segment单独处理，各segment之间没有联系，最长的依赖关系长度就取决于segment长度。

预测的时候会对固定长度的segment做计算，一般取最后一个隐向量作为输出，为了充分利用上下文关系，每做一次预测，就对整个序列向右移动一个位置，在做一次计算，这导致效率非常低。

• Segment-Level Recurrence
  为了解决上面提到的问题，Transformer-XL提出一个改进，对当前Segment进行处理的时候，缓存并利用上一个segment中所有layer的隐向量序列，这些隐向量序列只参与前向计算，不再进行反向传播，这就是所谓的Segment-Level Recurrence。
  

• Relative Position Encodings
  Vanliia Trm使用position embedding或者正弦/余弦函数来对位置进行编码，这是一种绝对距离位置编码，而Transformer-XL使用相对位置编码。
  $$Atteention(Q,K,V)=softmax(\frac{Q{K}^T}{d_k}V)$$
  $Q{K}^T$可以分解为以下：
  
  

$U_i$、$U_j$即为绝对距离，替换为相对距离，得到以下计算公式:

• $R$表示相对距离，是一个$sin$函数，没有参数
• $u$和$v$都是可训练参数

即对绝对距离做替换，一部分替换成sin函数，一部分替换成可训练参数。

XL-Net

在Transformer-XL的基础上，增加了排列语言模型和双流注意力机制，详见这里。

排列语言模型

传统的自回归语言模型按文本顺序进行顺序建模，这无法充分利用上下文信息，所以才有了BERT这种双向模型。而XL-Net采用了排列语言模型来获取更多更丰富的信息。

XL-NET最大化所有可能的序列的因式分解顺序的期望对数似然。

基于表征的双向注意力机制

• Content Representation内容表述，即$h_{\theta }(x_{\le t})$，下文本用$h_{z_t}$表示，该表述和传统的transformer一样，同样编码了自身。
  
• Query Representation查询表述，即$g_{\theta }(x_{z<t},z_t)$，下文用$g_{z_t}$表示，该表述包含上下文信息$x_{z<t}$(注意区别)，和目标地位置信息$z_t$，但是不包括目标的内容信息$x_{z_t}$。