一文極速了解【自注意力機(jī)制】

當(dāng)下如火如荼的大模型，其中的關(guān)鍵技術(shù)就是注意力機(jī)制（Attention），于2015年提出。2017年的“Attention is all you need”一文提出了Transformer模型，去掉RNN，只保留注意力，性能吊打所有機(jī)器翻譯模型，是NLP發(fā)展的一個里程碑。

Attention的最主要的用途是自然語言處理，比如機(jī)器翻譯、情感分析；也有學(xué)者將其用于圖像處理，比如Vision Transformer（ViT），用了自注意力機(jī)制進(jìn)一步提高了模型在ImageNet的分類性能。

含義

注意力機(jī)制(Attention)最初用于改進(jìn)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)，提高Sequence-to-Sequence (Seq2Seq) 模型的表現(xiàn)，主要是為了緩解模型對于長序列的遺忘問題。注意力機(jī)制允許模型在處理數(shù)據(jù)時，動態(tài)地關(guān)注數(shù)據(jù)的某些部分，而非靜態(tài)地處理整個輸入。

自注意力機(jī)制 (Self-Attention) 是注意力機(jī)制的一種擴(kuò)展，不局限于 Seq2Seq 模型，可以用于任意的 RNN。它允許模型在處理一個序列時，計算序列內(nèi)各個元素之間的相互關(guān)系。

后來 Transformer 模型將 RNN 剝離，只保留注意力機(jī)制。 與 RNN + 注意力機(jī)制相比，只用注意力機(jī)制居然表現(xiàn)更好，在機(jī)器翻譯等任務(wù)上的效果有大幅提升。

自注意力層的輸入是序列（x1，…，xm），其中向量的大小都是din * 1。

其有兩個顯著優(yōu)點，

第一，序列的長度 m 可以是不確定的，可以動態(tài)變化。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)數(shù)量保持不變。

第二，輸出的向量 ci 不是僅僅依賴于向量 xi，而是依賴于所有的輸入向量 (x1, …, xm)。

自注意力層有三個參數(shù)矩陣，分別表示query、key、value:

計算步驟

輸入x映射到三元組(q,k,v)

首先，對于所有的 i = 1, · · · , m，把輸入的 xi 映射到三元組 (qi, ki, vi)：

計算權(quán)重向量 α

計算輸出向量 c

注意力的意義

公式總結(jié)

dk是K的維度，用來縮放點積，避免得到太大的數(shù)值。

非常推薦大家去閱讀一個白話解釋這個公式的博客，講得非常好，包括為什么要有Q、K、V三個矩陣，為什么Transformer能做到并行數(shù)據(jù)處理等?！禨elf-attention 公式解釋》

多頭自注意力

上面介紹的是單頭自注意力層，實踐中更常用的是多頭自注意力層，它是多個單頭的組合。
設(shè)多頭由 l 個單頭組成。每個單頭有自己的 3 個參數(shù)矩陣，所以多頭一共有 3l 個參數(shù)矩陣。它們的輸入都是序列 (x1, · · · , xm)，它們的輸出都是長度為 m 的向量序列。

多頭的意義

1、并行學(xué)習(xí)多種關(guān)系：

多頭自注意力通過 并行地運行多個自注意力“頭” 來實現(xiàn)。每個“頭”學(xué)習(xí)序列中不同的特征或關(guān)系。這允許模型在不同的表示子空間中同時捕獲序列的多種方面，學(xué)習(xí)更多樣化的特征，如不同類型的語義和句法信息。

2、提高模型的表達(dá)能力：

多頭機(jī)制增加了模型的表達(dá)能力。不同的注意力頭可以關(guān)注序列的不同部分，使模型能夠更全面地理解和表示數(shù)據(jù)。

總的來做，與單頭相比，多頭能提供更豐富的信息捕獲能力和更好的泛化能力，提高了模型在處理復(fù)雜序列數(shù)據(jù)時的表達(dá)能力和性能。

本文內(nèi)容為看完王樹森和張志華老師的《深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)》一書的學(xué)習(xí)筆記，十分推薦大家去看原書！