注意力机制_单头注意力机制

目录

目录

一、基础术语

1、记忆力分类

2、注意力机制介绍

3、机器学习中的一种数据处理方法

4、神经网络中的定义

5、注意力机制分类

5.1 soft attention 软注意力

5.2 hard attention 强注意力

二、注意力机制所需基础

1、公式理解

1.1 XX^T

1.2 softmax（XX^T）

1.3 softmax（XX^T）X

1.4 为什么不直接使用x，而要对其进行线性变换

2、注意力机制与自注意力机制的区别

三、注意力机制（Attention Mechanism）

1、机器翻译任务

2、引入soft-attention的机器翻译

2.1 Seq2Seq第一种模型用于机器翻译

2.2 Seq2Seq的第二种模型

2.3 引入注意力机制

3、公式

3.1 公式讲解

3.2 公式理解示例

4、Attention 机制的本质

4.1 公式如下

4.2 阶段1，相似度计算

4.3 阶段2，注意力打分机制

4.4 阶段3，归一化的注意力概率分配

5 attention的优缺点

5.1 优点

5.2 缺点

四、自注意力机制self-attention

1 定义

2、 公式

3、计算过程

五、多头注意力

1 self-attention的缺点

2 多头注意力机制的提出

3、作用

4、实现

4.1 单头注意力机制

4.2 multi-headed Attention

---

一、基础术语

这一章不重要，可直接跳到第二章

1、记忆力分类

sensory memory 感官记忆

short-term memory 短期记忆

long-term memory 长期记忆

2、注意力机制介绍

基本定义：由于信息处理的瓶颈，人类会选择性地关注所有信息的一部分，同时忽略其他可见的信息。上述机制通常被称为注意力机制

3、机器学习中的一种数据处理方法

模型对输入的X每个部分赋予不同的权重，抽取出更加关键及重要的信息，使模型做出更加准确的判断，同时不会对模型的计算和存储带来更大的开销

4、神经网络中的定义

在计算能力有限的情况下，将计算资源分配给更重要的任务，同时解决信息超载问题的一种资源分配方案

5、注意力机制分类

5.1 soft attention 软注意力

在选择信息的时候，不是从N个信息中只选择1个，而是计算N个输入信息的加权平均，再输入到神经网络中计算

5.2 hard attention 强注意力

Hard Attention就是指选择输入序列某一个位置上的信息，比如随机选择一个信息或者选择概率最高的信息。一般还是用soft attention来处理神经网络的问题。

soft attention：在encoder中每一个输出都会计算一个概率，例如图中的小女孩和飞盘

hard attention：encoder中只寻找需要的那个计算概率，图中只关注飞盘

二、注意力机制所需基础

1、公式理解

将公式简化为一个X的变化：softmax（XX^T）X

这里默认X为行向量

1.1 XX^T

向量内积，表示两个向量的夹角，一个向量在另一个向量上的投影

下面的运算模拟了 XX^T，查看结果的含义

投影的值大，说明两个向量的相关性高，如果不相关，垂直则为0

1.2 softmax（XX^T）

对向量内积结果计算softmax，结果为 0.4,0.4,0.2

加入softmax的含义

1. 归一化，结果的和为1
2. 加权求和，分配0.4的注意力给它本身”早“，剩下0.4关注"上"，0.2关注"好“

1.3 softmax（XX^T）X

新的行向量就是"早"字词向量经过注意力机制加权求和之后的表示

1.4 为什么不直接使用x，而要对其进行线性变换

提高模型的拟合能力，加入可训练参数矩阵W，起到缓冲的效果

2、注意力机制与自注意力机制的区别

Self Attention 顾名思义，指的【不是 Target 和 Source 之间的 Attention 机制】，而是 Source 内部元素之间或者 Target 内部元素之间发生的 Attention 机制，也可以理解为 Target=Source 这种特殊情况下的注意力计算机制

三、注意力机制（Attention Mechanism）

1、机器翻译任务

文本翻译的需求：输入机器学习→Machine learning

2、引入soft-attention的机器翻译

2.1 Seq2Seq第一种模型用于机器翻译

组成：Encoder、Decoder 和连接两者的 State Vector (中间状态向量) C

注：encoder与decoder见编码器总结笔记

1. source 经过 Encoder，生成中间的语义编码 C
2. C 经过 Decoder 之后，输出翻译后的句子

2.2 Seq2Seq的第二种模型

先根据 C 生成 y1，再基于（C，y1）生成 y2，依此类推

2.3 引入注意力机制

不同单词的影响不同，基于同一个语义编码效果不好，引入多个C

计算 C1、C2 和 C3 时，分别使用不同的权重向量：

y1=g(C1,h0)

y2=g(C2,y1)

y3=g(C3,y1,y2)

3、公式

3.1 公式讲解

D_k为为向量维度，原论文为64，根号64=8。主要用来做归一化

Q、K、V来源：向量X与参数矩阵的乘积

3.2 公式理解示例

在淘宝中搜索 “笔记本” 运行逻辑

4、Attention 机制的本质

可分为以下三个阶段

4.1 公式如下

4.2 阶段1，相似度计算

其中相似性计算可采用以下几种方式

4.3 阶段2，注意力打分机制

4.4 阶段3，归一化的注意力概率分配

上述公式中的 Lx 表示输入语句的长度

5 attention的优缺点

5.1 优点

1. 参数少：相比于 CNN、RNN ，其复杂度更小，参数也更少。所以对算力的要求也就更小。
2. 速度快：Attention 解决了 RNN及其变体模型 不能并行计算的问题。Attention机制每一步计算不依赖于上一步的计算结果，因此可以和CNN一样并行处理。
3. 效果好：在Attention 机制引入之前，有一个问题大家一直很苦恼：长距离的信息会被弱化，就好像记忆能力弱的人，记不住过去的事情是一样的。

5.2 缺点

需要的数据庞大，否则根本不需要忽略非重点

四、自注意力机制self-attention

1 定义

自注意力机制是注意力机制的变体，其减少了对外部信息的依赖，更擅长捕捉数据或特征的内部相关性。

自注意力机制在文本中的应用，主要是通过计算单词间的互相影响，来解决长距离依赖问题。

2、 公式

自注意力机制公式与注意力机制公式相同，但含义不同

• 注意力机制公式用于计算某个元素与其他所有元素之间的关系，通常用于在序列中寻找关键元素或者将输入序列中的信息进行汇总
• self-attention用于计算某个元素与其他所有元素之间的关系，其中所有元素，查询向量、键向量和值向量都来自于同一个序列。因此可以计算序列中每个元素与其他所有元素之间的关系

3、计算过程

1. 将输入单词转化成嵌入向量
2. 对于每一个向量a，分别乘参数矩阵wq，wk，wv，得到Q，K，V三个向量，如图

3. 利用得到的Q和K计算每两个输入向量之间的相关性，也就是计算attention的值α，α的计算方法有多种，通常采用点乘的方式。最终所有输入的相关性矩阵为A=K^T·Q

4. 为了梯度的稳定，Transformer使用了score归一化，即除以根号d_k

5. 对A矩阵进行softmax操作或者relu操作得到A'，以上过程见下图

6. 利用得到的A'和V计算每个输入向量a对应的self-attention层的输出向量b

第一个向量a1对应的self-attention输出向量b1举例，如下图

五、多头注意力

1 self-attention的缺点

模型在对当前位置进行编码时，会过度的将注意力集中在自身的位置。

2 多头注意力机制的提出

我们希望模型可以基于相同的注意力机制学习到不同的行为，然后将不同的行为作为知识组合起来，例如捕获序列内各种范围的依赖关系（例如，短距离依赖和长距离依赖）

多头注意力机制就是对注意力机制的简单堆叠，multi-headed Attention就是指用了很多个不同的权重矩阵计算出很多组K、Q、V

3、作用

多头机制赋予 attention 多种子表达方式。

每一组都是随机初始化，经过训练之后，输入向量可以被映射到不同的子表达空间中。

4、实现

4.1 单头注意力机制

4.2 multi-headed Attention

初始化多组权重，将单头注意力叠加

输入一批X，输出一批Z，将多个版本的Z拼接为一个长向量，

然后用一个权重矩阵相乘，压缩为一个短向量Z，用作下游任务的输入

4.3 一些问题解答

六、Transformer

七、参考资料：

1、李宏毅课程主页：https://speech.ee.ntu.edu.tw/~hylee/ml/2021-spring.html

快速直达注意力机制课件：https://speech.ee.ntu.edu.tw/~hylee/ml/ml2021-course-data/self_v7.pdf

2、Self-Attention和Transformer - machine-learning-notes (gitbook.io)

3、博客列表-读书编程笔记