机器学习实战(第二版)读书笔记(5)——通俗易懂Transformer

一、前言：

2017年Google研究团队提出了“注意力就是你所需要 的一切”，首次创建名为Transformer架构。目前Transformer仍然很热，应用领域也很广，最近读书的时候再次看到了这个模型，所以想写一个总结，旨在全面，浅显得介绍此模型，方便日后回顾。如果有问题欢迎批评指正。

阅读本文请先确保了解了一些编码器—解码器，attention机制相关知识。如若不然请先看seq2seq模型&注意力机制（BahdanauAttention，LuongAttention）详解。

二、Transformer

Transformer架构如下图1所示，模型由编码器和解码器两部分组成，没有使用任何循环层或卷积层，只有注意力机制(加上嵌入层、密集层、归一化层、位置编码等)。下面将分别进行讲解。

图1：Transformer架构

 2.1 Transformer中Encoder

左侧是编码器（顶部堆叠了N次，论文中N=6）

作用：对输入的单词序列进行编码，序列中的每个单词的编码维度为512，

输入：[批处理大小，最大输入句子长度] -——>输出：[批处理大小，最大输入句子长度，512]

 2.2 Transformer中Decoder

解码器的顶部也堆叠了N次（论文中N=6），编码器堆的输出在N 层的每层中都馈送到解码器。

训练期间：

• 输入：1、目标句子(ID的序列)，向右移动一个时间步长(即在序列的开头插入一个序列开始令牌)。2、编码器的输出 (即来自左侧的箭头)。
• 输出：每个时间步长输出每个可能的下一个单词的概率(输出形状为[批处理大小，最大输出句子长度，词汇表长度])。

在推理期间：

• 输入：因无法向解码器提供目标值，因此改为提供先前输出的单词(从序列开始令牌开始)。
• 输出：每个时间步长输出每个可能的下一个单词的概率(在下一 回合中将其馈送到解码器，直到输出序列结束令牌)。

 2.3 Multi-Head attention

编码器的多头注意力(Multi-Head Attention)层（图2所示）目的对同一句子中每个单词与其他单词之间的关系进行编码，更加关注最相关的单词。它是缩放点积注意力的堆叠（论文中H=8），所以要理解“多头注意力”层如何工作，我们必须首先理解自注意力及缩放点积注意力。

图2：多头注意力

2.3.1 自注意力(self-attention)

为自注意力最原始的公式，

对应下面的图，对应“早”字embedding之后的结果，以此类推。矩阵是一个方阵，里面保存了每个向量和自己与其他向量进行内积运算的结果，与Luong注意力一样，它表示每个单词与其他单词及本身的相关度。到这，相信这个公式就不难理解了。

2.3.2 缩放点积注意力

公式如图三所示，是不是和上面的公式差不多，只是X换成了Q，K，V。

图3：缩放点积注意力

 Q，K，V怎么来的呢？其实都是与矩阵的乘积，本质上都是的线性变换（因为矩阵都是可以训练的，起到一个缓冲的效果，提高模型的拟合能力。  Multi-Head attention就是有8组不同的,,，计算出8组不同的Q，K，V，然后得到8组不通的Attention(Q,K,V)，然后讲他们concat。

的意义：这使得的softmax分布的陡峭程度和d成功解耦，从而使得Transformer在训练过程中的梯度值保持稳定

 2.4、位置嵌入

 为什么需要位置编码：

如果词语出现位置不同，意思可能发生翻天覆地的变化。Transformer 的是基于self-Attention地，而self-attention是不能获取词语位置信息地，就算打乱一句话中词语的位置，每个词还是能与其他词之间计算attention值。

 位置编码公式如下，具体怎么来的可以去看原文：

图四：位置编码公式

位置嵌入和特征嵌入明显是异构的那么为什么不是连接，而是累加：

有上面公式可以看出两者效果相同，但 concat会引入额外参数。