Transfomer编码器中自注意力机制、前馈网络层、叠加和归一组件等讲解（图文解释）

Transformer中的编码器不止一个，而是由一组N个编码器串联而成，一个编码的输出作为下一个编码器的输入，如下图所示，每一个编码器都从下方接收数据，再输出给上方，以此类推，原句中的特征会由最后一个编码器输出，编码器模块的主要功能就是提取原句中的特征

我们又可以将编码器中的结构进行细分

 

 由上图可知，每一个编码器的构造都是相同的，并且包含两个部分

1：多头注意力层

2：前馈网络层

下面我们对其进行讲解

一、自注意力机制

让我们通过一个例子来快速理解自注意力机制

a dog ate the food because it was hungry

想必大家都能看懂这句英文的意思，句中的it可以指代dog也可以指代food，我们自然是很好理解，但是对于计算机而言该如何决定呢？自注意力机制有助于解决这个问题

以上句为例，我们的模型首先需要计算出单词A的特征值，其次计算dog的特征值，以此类推，当计算每个词的特征值时，模型都需要遍历每个词与句子中其他词的关系，模型可以通过词与词之间的关系来更好的理解当前词的意思

比如当计算it的特征值时，模型会将it与句子中的其他词一一关联，以便更好的理解它的意思

如下图所示，it的特征值由它本身与句子中其他词的关系计算所得，通过关系连线，模型可以明确知道原句中it所指代的是dog而不是food，这是因为it与dog的关系更紧密，关系连线相较于其他词也更粗 

 自注意力机制首先将每个词转化为其对应的词嵌入向量，这样原句就可以由一个矩阵来表示

 矩阵X的维度为【句子长度×词嵌入向量维度】通过矩阵X，我们可以再创建三个新的矩阵，分别是

查询矩阵Q

健矩阵K

值矩阵V

为了创建他我们需要先创建另外三个权重矩阵，用X分别乘它们得到上述三个矩阵

值得注意的是，权重矩阵的初始值完全是随机的，但最优值则需要通过训练获得，我们取得的权值越优，则上述三个矩阵也越精确 

 因为每个向量的维度均为64，所以对应矩阵的维度为【句子长度×64】

自注意力机制会使该词与给定句子中的所有词联系起来，包括四个步骤，下面一一介绍

1：计算查询矩阵与键矩阵的点积，其目的是为了了解单词1与句子中的所有单词的相似度

2：第二步将查询矩阵与键矩阵除以键向量维度的平方根，这样做的目的是为了获得稳定的梯度 

3：目前所得的相似度分数尚未被归一化，我们需要使用softmax函数对其进行归一化处理，使数值分布到（0，1）之间 

 4：至此我们计算了查询矩阵与键矩阵的点积，得到了分数，然后softmax将分数归一化，自注意力机制的最后一步使计算注意力矩阵Z

 注意力矩阵就是值向量与分数加权之后求和所得到的结果

下面是自注意力机制的流程图 

 自注意力机制也被称为缩放点积注意力机制，这是因为其计算过程是先求查询矩阵与键矩阵的点积，再除以键向量维度的平方根对结果进行缩放

二、多头注意力层

多头注意力是指我们可以使用多个注意力头，而不是只用一个，也就是说我们可以利用计算注意力矩阵Z的方法，来求得多个注意力矩阵

如果某个词实际上是由其他词的值向量控制，而这个词的含义又是模糊的，那么这种控制关系是有用的，否则这种控制关系会造成误解，为了确保结果准确，我们不能依赖单一的注意力矩阵，而应该计算多个注意力矩阵，并将其结果串联起来，使用多头注意力的逻辑如下：

使用多个注意力矩阵，而非单一的注意力矩阵，可以提高注意力矩阵的准确性

三、通过位置编码来学习位置

Transformer网络并不遵循递归循环的模式，因此我们不是逐字的输入句子，而是将句子中的所有词并行的输入到神经网络中，并行输入有助于缩短训练时间，同时有利于学习长期依赖，但是这样没有保留词序，因此这里引入了一种叫做位置编码的技术，位置编码是指词在句子中的位置的编码

位置编码矩阵P的维度与输入矩阵X的维度相同，在将输入矩阵传给Transformer之前，我们将其包含位置编码，只需要将P+X即可，然后再作为输入传给神经网络，这样依赖，输入矩阵不仅有词的嵌入值，还有词在句子中的位置信息

Transformer论文的作者使用正弦函数来计算位置编码

四、前馈网络层

 前馈网络层由两个有ReLU激活函数的全连接层组成，前馈网络的参数在句子的不同位置上是相同的，但在不同的编码器模块上是不同的

五、叠加和归一组件

在编码器中还有一个重要的组成部分，即叠加和归一组件，它同时连接一个子层的输入和输出

叠加和归一组件实际上包含一个残差连接与层的归一化，层的归一化可以放置每层的值剧烈变化，从而提高了模型的训练速度

总结

编码器总结如下

1：将输入转换为输入矩阵，并将位置编码加入其中，再将结果作为输入传入底层的编码器

2：编码器1接收输入并将其送入多头注意力层，该子层运算后输入注意力矩阵

3：将注意力矩阵输入到下一个子层，即前馈网络层，前馈网络层将注意力矩阵作为输入，并计算出特征值作为输出

4：接下来，把从编码器1中得到输出作为输入，传入下一个编码器

5：编码器2进行同样的处理，再将给定输入的句子的特征值作为输出

这样可以将N个编码器一个接一个的叠加起来，从最后一个编码器得到输出将是给定输入句子的特征值，让我们把从最后一个编码器得到的特征值表示为R

我们把R作为输入传个解码器，解码器将基于这个输入生成目标句子

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