李沐65_注意力分数——自学笔记

Additive Attention

等价于将key和value合并起来后放入到一个隐藏大小为h输出大小为1的单隐藏层

总结

1.注意力分数是query和key的相似度,注意力权重是分数的softmax结果

2.两种常见的分数计算:

(1)将query和key合并起来进入一个单输出单隐藏层的MLP

(2)直接将query和key做内积

注意力打分函数

python 复制代码
!pip install d2l
python 复制代码
import math
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

masked_softmax函数 实现了这样的掩蔽softmax操作(masked softmax operation), 其中任何超出有效长度的位置都被掩蔽并置为0。

python 复制代码
def masked_softmax(X, valid_lens):
    """通过在最后一个轴上掩蔽元素来执行softmax操作"""
    # X:3D张量,valid_lens:1D或2D张量
    if valid_lens is None:
        return nn.functional.softmax(X, dim=-1)
    else:
        shape = X.shape
        if valid_lens.dim() == 1:
            valid_lens = torch.repeat_interleave(valid_lens, shape[1])
        else:
            valid_lens = valid_lens.reshape(-1)
        # 最后一轴上被掩蔽的元素使用一个非常大的负值替换,从而其softmax输出为0
        X = d2l.sequence_mask(X.reshape(-1, shape[-1]), valid_lens,
                              value=-1e6)
        return nn.functional.softmax(X.reshape(shape), dim=-1)

考虑由两个2X4

矩阵表示的样本, 这两个样本的有效长度分别为2

和3

。 经过掩蔽softmax操作,超出有效长度的值都被掩蔽为0。

python 复制代码
masked_softmax(torch.rand(2, 2, 4), torch.tensor([2, 3]))
tensor([[[0.3505, 0.6495, 0.0000, 0.0000],
         [0.5069, 0.4931, 0.0000, 0.0000]],

        [[0.2469, 0.4668, 0.2863, 0.0000],
         [0.2865, 0.3008, 0.4127, 0.0000]]])

同样,也可以使用二维张量,为矩阵样本中的每一行指定有效长度。

python 复制代码
masked_softmax(torch.rand(2, 2, 4), torch.tensor([[1, 3], [2, 4]]))
tensor([[[1.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000],
         [0.2102, 0.3264, 0.4634, 0.0000]],

        [[0.4785, 0.5215, 0.0000, 0.0000],
         [0.1783, 0.1803, 0.3615, 0.2800]]])

additive attention

python 复制代码
class AdditiveAttention(nn.Module):
    """加性注意力"""
    def __init__(self, key_size, query_size, num_hiddens, dropout, **kwargs):
        super(AdditiveAttention, self).__init__(**kwargs)
        self.W_k = nn.Linear(key_size, num_hiddens, bias=False)
        self.W_q = nn.Linear(query_size, num_hiddens, bias=False)
        self.w_v = nn.Linear(num_hiddens, 1, bias=False)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, queries, keys, values, valid_lens):
        queries, keys = self.W_q(queries), self.W_k(keys)
        # 在维度扩展后,
        # queries的形状:(batch_size,查询的个数,1,num_hidden)
        # key的形状:(batch_size,1,"键-值"对的个数,num_hiddens)
        # 使用广播方式进行求和
        features = queries.unsqueeze(2) + keys.unsqueeze(1)
        features = torch.tanh(features)
        # self.w_v仅有一个输出,因此从形状中移除最后那个维度。
        # scores的形状:(batch_size,查询的个数,"键-值"对的个数)
        scores = self.w_v(features).squeeze(-1)
        self.attention_weights = masked_softmax(scores, valid_lens)
        # values的形状:(batch_size,"键-值"对的个数,值的维度)
        return torch.bmm(self.dropout(self.attention_weights), values)

用一个小例子来演示上面的AdditiveAttention类, 其中查询、键和值的形状为(批量大小,步数或词元序列长度,特征大小), 实际输出为(2,1,20)

、(2,10,2)

和(2,10,4)

。 注意力汇聚输出的形状为(批量大小,查询的步数,值的维度)。

python 复制代码
queries, keys = torch.normal(0, 1, (2, 1, 20)), torch.ones((2, 10, 2))
# values的小批量,两个值矩阵是相同的
values = torch.arange(40, dtype=torch.float32).reshape(1, 10, 4).repeat(
    2, 1, 1)
valid_lens = torch.tensor([2, 6])

attention = AdditiveAttention(key_size=2, query_size=20, num_hiddens=8,
                              dropout=0.1)
attention.eval()
attention(queries, keys, values, valid_lens)
tensor([[[ 2.0000,  3.0000,  4.0000,  5.0000]],

        [[10.0000, 11.0000, 12.0000, 13.0000]]], grad_fn=<BmmBackward0>)

管加性注意力包含了可学习的参数,但由于本例子中每个键都是相同的, 所以注意力权重是均匀的,由指定的有效长度决定

python 复制代码
d2l.show_heatmaps(attention.attention_weights.reshape((1, 1, 2, 10)),
                  xlabel='Keys', ylabel='Queries')

缩放点积注意力

(scaled dot-product attention)评分函数

python 复制代码
class DotProductAttention(nn.Module):
    """缩放点积注意力"""
    def __init__(self, dropout, **kwargs):
        super(DotProductAttention, self).__init__(**kwargs)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    # queries的形状:(batch_size,查询的个数,d)
    # keys的形状:(batch_size,"键-值"对的个数,d)
    # values的形状:(batch_size,"键-值"对的个数,值的维度)
    # valid_lens的形状:(batch_size,)或者(batch_size,查询的个数)
    def forward(self, queries, keys, values, valid_lens=None):
        d = queries.shape[-1]
        # 设置transpose_b=True为了交换keys的最后两个维度
        scores = torch.bmm(queries, keys.transpose(1,2)) / math.sqrt(d)
        self.attention_weights = masked_softmax(scores, valid_lens)
        return torch.bmm(self.dropout(self.attention_weights), values)

为了演示上述的DotProductAttention类, 我们使用与先前加性注意力例子中相同的键、值和有效长度。 对于点积操作,我们令查询的特征维度与键的特征维度大小相同。

python 复制代码
queries = torch.normal(0, 1, (2, 1, 2))
attention = DotProductAttention(dropout=0.5)
attention.eval()
attention(queries, keys, values, valid_lens)
tensor([[[ 2.0000,  3.0000,  4.0000,  5.0000]],

        [[10.0000, 11.0000, 12.0000, 13.0000]]])

与加性注意力演示相同,由于键包含的是相同的元素, 而这些元素无法通过任何查询进行区分,因此获得了均匀的注意力权重。

python 复制代码
d2l.show_heatmaps(attention.attention_weights.reshape((1, 1, 2, 10)),
                  xlabel='Keys', ylabel='Queries')
相关推荐
昨日之日200628 分钟前
Moonshine - 新型开源ASR(语音识别)模型,体积小,速度快,比OpenAI Whisper快五倍 本地一键整合包下载
人工智能·whisper·语音识别
浮生如梦_30 分钟前
Halcon基于laws纹理特征的SVM分类
图像处理·人工智能·算法·支持向量机·计算机视觉·分类·视觉检测
深度学习lover31 分钟前
<项目代码>YOLOv8 苹果腐烂识别<目标检测>
人工智能·python·yolo·目标检测·计算机视觉·苹果腐烂识别
热爱跑步的恒川1 小时前
【论文复现】基于图卷积网络的轻量化推荐模型
网络·人工智能·开源·aigc·ai编程
API快乐传递者2 小时前
淘宝反爬虫机制的主要手段有哪些?
爬虫·python
阡之尘埃3 小时前
Python数据分析案例61——信贷风控评分卡模型(A卡)(scorecardpy 全面解析)
人工智能·python·机器学习·数据分析·智能风控·信贷风控
孙同学要努力5 小时前
全连接神经网络案例——手写数字识别
人工智能·深度学习·神经网络
Eric.Lee20215 小时前
yolo v5 开源项目
人工智能·yolo·目标检测·计算机视觉
其实吧37 小时前
基于Matlab的图像融合研究设计
人工智能·计算机视觉·matlab
丕羽7 小时前
【Pytorch】基本语法
人工智能·pytorch·python