多头自注意力机制

本文为《Attention Is All You Need》精读中的一个拓展

论文- 《Attention Is All You Need》

为了学到多重语意含义的表达，进行多头注意力机制的运算。不要被这个多头注意力给吓住，其实这里面就是用到了几个矩阵运算，先不用管怎么运算的，我们先宏观看一下这个注意力机制到底在做什么？ 拿单头注意力机制举例：

左边的红框就是我们现在讲的部分，右图就是单头注意力机制做的事情，拿句子：
The animal didn’t cross the street, because it was too tired.
我们看it这个词最后得到的R矩阵里面，就会表示出这个it到底是指的什么， 可以看到R1和R2和it最相关，就可以认为it表示的是The animal。

也就是说，每一个字经过映射之后都会对应一个R矩阵， 这个R矩阵就是表示这个字与其他字之间某个角度上的关联性信息，这叫做单头注意力机制。（具体怎么做到的，下面会说）

下面看一下多头注意力宏观上到底干了什么事情：

左边这个是两头的注意力机制，上面说到这个橙色的这个注意力反映了it这个词指代的信息。 而这个绿色的这个注意力，反应了it这个词的状态信息，可以看到it经过这个绿色的注意力机制后，tired这个词与it关联最大，就是说it，映射过去，会更关注tired这个词，因为这个正好是它的一个状态。 它累了。

这样是不是就能明白多头注意力的意义了啊，每个字经过多头注意力机制之后会得到一个R矩阵，这个R矩阵表示这个字与其他字在N个角度上（比如指代，状态…）的一个关联信息，这个角度就是用多个头的注意力矩阵体现的。这就是每个字多重语义的含义。

那么究竟是怎么实现的呢？ 其实这个过程中就是借助了三个矩阵来完成的。下面具体看一下：

我们的目标是把我们的输入Xembedding_pos通过多头注意力机制（系列线性变换）先得到Z。然后Z通过前馈神经网络得到R。这个R矩阵表示这个字与其他字在N个角度上（比如指代，状态…）的一个关联信息。

先看看怎么得到这个Z: 在Xembedding_pos->Z的过程中到底发生了什么呢？

这就是整个过程的变化，首先Xembedding_pos会做三次线性变化得到Q,K,V，三个矩阵，然后里面Attention机制，把Q,K,V三个矩阵进行运算，最后把Attention矩阵和Xembedding_pos加起来就是最后的Z。

可是为什么要这么做呢？ Q,K,V又分别表示什么意思呢？

我们先说第二个问题，Q，K，V这三个矩阵分别是什么意思， Q表示Query，K表示Key，V表示Value。之所以引入了这三个矩阵，是借鉴了搜索查询的思想，比如我们有一些信息是键值对（key->value）的形式存到了数据库，（5G->华为，4G->诺基亚）, 比如我们输入的Query是5G， 那么去搜索的时候，会对比一下Query和Key, 把与Query最相似的那个Key对应的值返回给我们。 这里是同样的思想，我们最后想要的Attention，就是V的一个线性组合，只不过根据Q和K的相似性加了一个权重并softmax了一下而已。下面具体来看一下：

上面图中有8个head， 我们这里拿一个head来看一下做了什么事情：（请注意这里head的个数一定要能够被embedding dimension整除才可以，上面的embedding dimension是512， head个数是8，那么每一个head的维度是(4, 512/8）)

怎么得到Q1和K1的相似度呢？ 我们想到了点积运算， 我们还记得点积运算的几何意义吗？两个向量越相似， 他们的点积就越大，反之就越小（因为向量a点乘向量b等与||a|| ||b| |cosθ， 越相似，θ越小，点积就会越大）。

我们看看Q1*K1的转置表达的是个什么意思：

c1, c2,…c6这些就代表我们的输入的每一个字，每一行代表每一个字的特征信息， 那么Q1的c1行和K1转置的c1列做点积运算得到第一个字和其他几个字的注意力或者相关性。
这样最后的结果每一行表示的这个字和其他哪几个字比较相关， 这个矩阵就是head1角度的注意力矩阵。

但是我们有8个head头的，我们假设每一个头的Q1，K1服从标准正态的话，那么八个头堆叠的大矩阵Q和K的点积运算之后会服从均值为1， 方差为64的正态（相当于A服从N(0,1)的标准正态， 8A就服从N(0, 64）），这时候为了方向传播的时候能够获取平衡的梯度，我们有一个QK的转置然后除以根号64的操作，这时候把矩阵变成了标准正态。

然后对每一行使用softmax归一化变成某个字与其他字的注意力的概率分布（使每一个字跟其他所有字的权重的和为1）。

这时候，我们从注意力矩阵取出一行（和为1），然后依次点乘V的列，因为矩阵V的每一行代表着每一个字向量的数学表达，这样操作，得到的正是注意力权重进行数学表达的加权线性组合，从而使每个字向量都含有当前句子的所有字向量的信息。这样就得到了新的X_attention(这个X_attention中每一个字都含有其他字的信息)。

用这个加上之前的Xembedding_pos得到残差连接，训练的时候可以使得梯度直接走捷径反传到最初层，不易消失。

再经过一个LayerNormlization操作就可以得到Z。 LayerNormlization的作用是把神经网络中隐藏层归一化为标准正态分布，起到加快训练速度，加速收敛的作用。类似于BatchNormlization，但是与BatchNormlization不同的是前者是以行为单位（每一行减去每一行的均值然后除以每一行的标准差），后者是一个Batch为单位（每一个元素减去Batch的均值然后除以Batch的标准差）。

所以多头注意力机制细节总结起来就是下面这个图了：