【机器学习】21. Transformer: 最通俗易懂讲解

1. 结构：Encoder and Decoeder

• Encoder Component：结构相同的编码器堆栈
  • Self-attention Layer: 帮助查看输入句子中的其他单词，因为它编码了一个特定的单词。
• Decoding component: 由相同数量的编码器组成的一组解码器。
  • Encoder-decoder attention layer:帮助将注意力集中在输入句子的相关部分
    

2. Encoder 第一个输入的embedding

和传统的NLP网络一样，文本数据都是通过embedding转换成向量进行操作

3. self-attention 层

假设输入是这个句子，自注意力机制能够帮助it连接到animal

"The animal didn't cross the street because it was too tried."

self-attention 实现

1. 给每行一个encoder的输入向量，创建 query 向量，key向量，value向量
   通过将embedding乘以我们在训练过程中训练的三个矩阵 得到，Q,K,V矩阵
   三个矩阵是什么？是右侧的W(Q),W(K)和W(V)
   
2. Q * K计算分数
   取Q向量与我们要评分的单词的K向量的点积 Q*K
3. 除以8
   为什么是8？作者是这么做的。64是key vector的大小，因为embedding是512，把key vector取了64，开平方得到了8.
4. softmax得到概率
   
   这些分数决定了编码当前位置的词, 即Thinking的时候, 对所有位置的词分别有多少的注意力. 很明显, 在上图的例子中, 当前位置的词Thinking对自己有最高的注意力0.88
5. value * softmax的结果
   保留我们想要关注的单词的价值，并淹没不相关的单词。
6. 把最后加权过的V向量相加
   在这个位置产生自注意层的输出（对于第一个单词）
   

4. 多头机制

一个embedding有多个输出。

因为前馈神经网络接受的是1个矩阵(每个词的一个向量), 所以我们需要有一种方法把10个矩阵整合为一个矩阵

输出左右拼接，再有一个W向量，二者相乘得到最终结果向量。

回顾之前翻译的案例，可以得到一个注意头是animal，另一个是tire

5. Position Encoding(和embedding相加)

前面的embedding并没有位置信息

Position Encoding

• 提供嵌入向量之间有意义的距离，一旦投影到Q/K/V向量。
• 确定每个单词的位置。

最后相加的结果传递给self-attention层

6. Residuals

跟ResNet的操作一样，输入和输出相加作为下一层的输入

7. Decoder

顶部编码器的输出被转化为一组注意力向量K和V

• 用于"编码器-解码器注意"层解码器。
• 关注输入序列中的适当位置

每一步的输出在下一个时间步中被馈入底层解码器。

8. 最后的Linear and Softmax layer

假设我们的模型认识5000个唯一的英文单词, 那么logits向量的维度就是5000，跟其他神经网络一样，这里是概率。

9. 训练概述

首先，真实的标签会用one-hot转换成向量。

之后使用损失函数

该模型为每个单词生成一个的概率。

• 使用反向传播使输出更接近实际输出。
• 比较两种概率分布：
  • Cross-Entropy
  • Kullback-Leiber Divergence

10. 选择Transformer的理由

优点：

更好的远程连接

更容易并行化

在实践中，可以使其比RNN更深（层次更多）

缺点:

注意力计算在技术上是O(n^2) 【n是最长的句子】

实现起来有点复杂（位置编码等）

优点似乎远远大于缺点，transformer在许多情况下比rnn和LSTMs工作得更好

可以说是过去十年中最重要的序列建模改进之一。