Transformer 模型详解-Toy模板网

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Transformer模型

https://blog.csdn.net/m0_67084346/article/details/128138486
https://blog.csdn.net/benzhujie1245com/article/details/117173090

2017 年，Google 在论文 Attention is All you need 中提出了 Transformer 模型，其使用 Self-Attention 结构取代了在 NLP 任务中常用的 RNN 网络结构。相比 RNN 网络结构，其最大的优点是可以并行计算。

• 功能亮点：
（1）编码器-解码器架构（Encoder-Decoder Architecture）
（2）多头自注意力机制（Multi-head Self Attention）
（3）位置编码（Positional EnCoding）
（4）残差结构（Residuals）
$\qquad$ 使得模型能够保留更多原始输入的信息，同时有效地缓解梯度消失问题
（5）层归一化（Layer Normalization）
$\qquad$ 加速网络的训练和收敛
（6）前馈全连接层的作用：考虑注意力机制可能对复杂过程的拟合程度不够,通过增加两层网络来增强模型的能力.
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Transformer： 编码器组件和解码器组件中分别为连续 N（在 Transformer模型中 N = 6）个具有相同结构的编码器和解码器，每个编码器的结构都是相同的，但是它们使用不同的权重参数。
编码器：多头的self-Attention + 标准化残差 + 前馈神经网络 +标准化残差
解码器：多头遮蔽的self-Attention + 标准化残差 + 多头的全局的Attention(编码-解码/交叉注意力) + 标准化残差 + 前馈神经网络 + 标准化残差

encoder-decoder Attention就是一个普通的Attention是判断编码的输出语义向量C和当前翻译的一个Attention关系的。因此解码器相比较编码器来说仅仅多了一个mask和encoder-decoder Attention。

编码阶段都是为了得到一个语义向量C
解码阶段都是通过语义向量C得到一个一个的输出

（1）第一层的self—attention作用：对自己本身加权（提取自身信息）
$\qquad$ 多头机制作用：为了提取更多更全的信息
（2）为什么transformer当中要加入位置嵌入？
$\qquad$ LSTM时间步潜在就是位置的信息，但是transformer当中是把整句话一块作为输入，那么就丧失了词与词之间的位置信息。
（3）如何做位置嵌入？
$\qquad$ 1) 位置信息能在某个小范围里，例如(0,1) (-1,1)
$\qquad$ @为什么要在小范围：
$\qquad$ $\qquad$ 可以反映出位置之间的关系
$\qquad$ 2) 能表示出来位置之间的关系
$\qquad$ sin-cos函数可以满足上边两点
$\qquad$ 和差化积公式
$\qquad$ 奇数用cos编码，偶数用sin编码

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红色圈中的部分为 Multi-Head Attention，是由多个 Self-Attention组成的，可以看到 Encoder block 包含一个 Multi-Head Attention，而 Decoder block 包含两个 Multi-Head Attention (其中有一个用到Masked)。Multi-Head Attention 上方还包括一个 Add & Norm 层，Add 表示残差连接 (Residual Connection) 用于防止网络退化，Norm 表示 Layer Normalization，用于对每一层的激活值进行归一化。

1. 自注意力（Self-Attention ）

目的：对自己本身加权（提取自身信息），让机器注意到整个输入中不同部分之间的相似性
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给定一个Query(查询)和一系列的Key-Value对一起映射出一个输出。包括下面三个关键性步骤：
$\quad$ • 将Query与Key进行相似性度量
$\quad$ • 将求得的相似性度量进行缩放标准化
$\quad$ • 将权重与value进行加权

在计算的时候需要用到矩阵Q(Query查询),K(Key键值),V(Value值)。在实际中，Self-Attention 接收的是输入(单词的表示向量x组成的矩阵X) 或者上一个 Encoder block 的输出。而Q,K,V正是通过 Self-Attention 的输入进行线性变换得到的。
$\operatorname{Attention}(Q, K, V)=\operatorname{softmax}\left(\frac{Q K^T}{\sqrt{d_k}}\right) V$
具体步骤：

第 1 步：对编码器的每个输入向量（在本例中，即每个词的词向量）创建三个向量：Query 向量、Key 向量和 Value 向量。它们是通过词向量分别和 3 个矩阵相乘得到的，这 3 个矩阵通过训练获得。
$\qquad$ 请注意，这些向量的维数小于词向量的维数。新向量的维数为 64，而 embedding 和编码器输入/输出向量的维数为 512。新向量不一定非要更小，这是为了使多头注意力计算保持一致的结构性选择。

第 2 步：计算注意力分数。假设我们正在计算这个例子中第一个词 “Thinking” 的自注意力。我们需要根据 “Thinking” 这个词，对句子中的每个词都计算一个分数。
$\qquad$ 这些分数决定了我们在编码 “Thinking” 这个词时，需要对句子中其他位置的每个词放置多少的注意力。这些分数，是通过计算 “Thinking” 的 Query 向量和需要评分的词的 Key 向量的点积得到的。如果我们计算句子中第一个位置词的注意力分数，则第一个分数是 $q_1$ 和 $k_1$ 的点积，第二个分数是 $q_1$ 和 $k_2$ 的点积。

第 3 步：将每个分数除以 $\sqrt{d_{k}}$ （ $d_{k}$ 是 Key 向量的维度）。目的是在反向传播时，求梯度更加稳定。实际上，你也可以除以其他数。

第 4 步：将这些分数进行 Softmax 操作。Softmax 将分数进行归一化处理，使得它们都为正数并且和为 1。
$\qquad$ 这些 Softmax 分数决定了在编码当前位置的词时，对所有位置的词分别有多少的注意力。很明显，当前位置的词汇有最高的分数，但有时注意一下与当前位置的词相关的词是很有用的。

第 5 步：将每个 Softmax 分数分别与每个 Value 向量相乘。这种做法背后的直觉理解是：对于分数高的位置，相乘后的值就越大，我们把更多的注意力放在它们身上；对于分数低的位置，相乘后的值就越小，这些位置的词可能是相关性不大，我们就可以忽略这些位置的词。

第 6 步：将加权 Value 向量（即上一步求得的向量）求和。这样就得到了自注意力层在这个位置的输出。

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2. 多头自注意力（Multi-head Self Attention）

目的：让词向量学习到上下文语境信息（为了提取更多更全的信息）
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在 Transformer 论文中，通过添加一种多头注意力机制，进一步完善了自注意力层。具体做法：首先，通过 h 个不同的线性变换对 Query、Key 和 Value 进行映射；然后，将不同的 Attention 拼接起来；最后，再进行一次线性变换。

Multi-head Attention 的本质是，在参数总量保持不变的情况下，将同样的 Query，Key，Value 映射到原来的高维空间的不同子空间中进行 Attention 的计算，在最后一步再合并不同子空间中的 Attention 信息。这样降低了计算每个 head 的 Attention 时每个向量的维度，在某种意义上防止了过拟合；由于 Attention 在不同子空间中有不同的分布，Multi-head Attention 实际上是寻找了序列之间不同角度的关联关系，并在最后拼接这一步骤中，将不同子空间中捕获到的关联关系再综合起来。

3. 编码器（Encoder）

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残差结构——使得模型能够保留更多原始输入的信息，同时有效地缓解梯度消失问题。
层归一化——加速网络的训练和收敛。

4. 解码器（Decoder）

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4.1 掩码(Masked)

Decoder block 的第一个 Multi-Head Attention 采用了 Masked 操作，因为在翻译的过程中是顺序翻译的，即翻译完第 i 个单词，才可以翻译第 i+1 个单词。通过 Masked 操作可以防止第 i 个单词知道 i+1 个单词之后的信息。下面以 “我有一只猫” 翻译成 “I have a cat” 为例，了解一下 Masked 操作。

下面的描述中使用了类似 Teacher Forcing 的概念。在 Decoder 的时候，是需要根据之前的翻译，求解当前最有可能的翻译，如下图所示。首先根据输入 “” 预测出第一个单词为 “I”，然后根据输入 “ I” 预测下一个单词 “have”。
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4.2 交叉注意力(Encoder-decoder attention)

Encoder-Decoder Attention 层的工作原理和多头自注意力机制类似。不同之处是：Encoder-Decoder Attention 层使用前一层的输出构造 Query 矩阵，而 Key 和 Value 矩阵来自于编码器栈的输出。

Q：解码器
K、V：编码器
用解码器的Query查询编码器的Key、Value

5. 基于Transformer架构的模型

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模型主要分三类：
（1）只包含编码器：BERT, RoBERTa, XLM
（2）只包含解码器：GPT, GPT-2, GPT-3
（3）包含编码器&解码器： T5, BART

演进思路：
（1）提升在各类任务中的性能表现
（2）减少参数，使模型轻量化，易于部署

Transformer总结

Transformer 与 RNN 不同，可以比较好地并行训练。
Transformer 本身是不能利用单词的顺序信息的，因此需要在输入中添加位置 Embedding，否则 Transformer 就是一个词袋模型了。
Transformer 的重点是 Self-Attention 结构，其中用到的 Q, K, V矩阵通过输出进行线性变换得到。
Transformer 中 Multi-Head Attention 中有多个 Self-Attention，可以捕获单词之间多种维度上的相关系数 attention score。