算法金 | Transformer，一个神奇的算法模型！！

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在现代自然语言处理（NLP）领域，Transformer 模型的出现带来了革命性的变化。它极大地提升了语言模型的性能和效率，而自注意力机制是其中的核心组件。

今个儿我们将通过五个阶段，逐步深入讲解自注意力机制，帮助大侠一窥其原理和应用，成功实现变身（装 X ）

第一阶段：自注意力机制基础

在处理语言和文字时，我们经常需要理解一个句子中的单词是如何相互关联的。例如，在句子“猫追着老鼠跑”中，我们需要知道“猫”是追的主体，“老鼠”是被追的对象。传统的方法在理解这些关系时有一些困难，特别是当句子变得很长时。自注意力机制是一种新的方法，可以更好地理解句子中单词之间的关系，无论句子有多长。

自注意力机制的核心思想是：每个单词都能“注意到”句子中的其他单词，并根据这些单词来调整自己。这有点像我们在读一篇文章时，会注意到一些关键的词句来帮助我们理解文章的整体意思。

第二阶段：自注意力机制的工作原理

在自注意力机制中，每个单词会看向句子中的其他单词，并计算一个注意力得分。这些得分表示每个单词对其他单词的关注程度。这个过程可以理解为每个单词都在问自己：“我应该关注哪些单词？”

计算注意力得分

以句子“我喜欢吃苹果”为例：

“我”计算它对“喜欢”、“吃”和“苹果”的注意力得分。
每个单词的得分会被转换成一个概率，表示它在句子中有多重要。

注意力得分会被一种叫做 softmax 的方法转换成概率。这种方法确保所有的得分加起来等于 1，这样我们就可以知道每个单词的重要性。例如：

“我”可能对“喜欢”的关注度是 0.4，对“吃”的关注度是 0.3，对“苹果”的关注度是 0.3。
这些得分表示“我”最关注的是“喜欢”，其次是“吃”和“苹果”。

生成新表示

每个单词会根据这些概率得分，重新组合句子中的信息，生成新的表示。这就像我们在阅读一篇文章时，会根据每句话的重要性来总结文章的核心内容。

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第三阶段：查询、键和值

在自注意力机制中，每个单词都被表示为三个向量：查询（Query）、键（Key）和值（Value）。这些向量帮助我们计算注意力得分，并生成新的单词表示。

查询（Query）

查询向量表示我们希望了解的单词。每个单词都有一个查询向量，用于计算它与其他单词的关系。

键（Key）

键向量表示句子中每个单词的特征。查询向量会与键向量进行对比，计算出注意力得分。

值（Value）

值向量表示句子中每个单词的具体内容。注意力得分会作用于值向量，以生成新的单词表示。

示例

以句子“我喜欢吃苹果”为例：

“我”的查询向量会与“喜欢”、“吃”和“苹果”的键向量进行对比，计算出它们的注意力得分。
这些得分会用于加权“喜欢”、“吃”和“苹果”的值向量，生成“我”的新表示。

多头注意力机制

为了更好地捕捉句子中不同方面的信息，Transformer 引入了多头注意力机制。这个机制允许我们并行地计算多组查询、键和值向量，捕捉不同的关系。

多头注意力机制的步骤

分组：将查询、键和值向量分成多组，每组称为一个“头”。
独立计算：每个头独立计算注意力得分，并生成新的表示。
拼接与变换：将所有头的结果拼接起来，并通过一个线性变换生成最终的输出。

例子

假设我们有两个头：

第一头可能主要关注“我”和“喜欢”的关系。
第二头可能主要关注“吃”和“苹果”的关系。通过这种方式，多头注意力机制可以更全面地理解句子中的不同关系。

第四阶段：残差连接和层归一化

残差连接（Residual Connection）

残差连接是一种技术，它通过在网络层之间添加直接的跳跃连接，帮助缓解深度神经网络中的梯度消失问题。

原理

在每一层的输出中，我们会添加上这一层的输入。这可以用公式表示为：

其中，Layer(𝑥) 表示这一层的计算结果，𝑥 是输入。

优点

缓解梯度消失问题：残差连接允许梯度直接通过跳跃连接传播，从而保持梯度不至于消失。
更快的训练速度：残差连接使得网络更容易训练，减少了训练时间。

示例

假设我们有一个句子“我喜欢吃苹果”，经过一层自注意力机制处理后，我们会将这一层的输出与原始输入相加，生成新的表示。这使得信息更好地在网络中传播。

层归一化（Layer Normalization）

层归一化是一种技术，它通过对每一层的输出进行归一化处理，帮助加速训练和提高模型稳定性。

原理

层归一化会对每一层的输出进行归一化处理，使得输出的均值为 0，方差为 1。这可以用公式表示为：

优点

提高训练速度：层归一化使得网络层的输出更为稳定，加快了训练速度。
提高模型稳定性：通过归一化处理，减少了网络层之间的数值波动，提高了模型的稳定性。

示例

在每一层的输出经过残差连接后，我们会对结果进行层归一化处理，使得输出更加稳定。例如，在句子“我喜欢吃苹果”中，每一层的输出经过层归一化处理后，可以更好地进行下一层的计算。

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第五阶段：实际应用与高级优化

自注意力机制的实现

基本实现步骤

输入处理：将输入文本转换为向量表示，可以使用词嵌入（word embedding）技术。
计算查询、键和值：根据输入向量，计算每个单词的查询、键和值向量。
计算注意力得分：使用查询和键向量计算注意力得分，并通过 softmax 转换成概率。
加权求和：根据注意力得分，对值向量进行加权求和，生成新的表示。
多头注意力机制：并行计算多组查询、键和值向量，并将结果拼接起来。
残差连接和层归一化：在每一层的输出后，添加残差连接并进行层归一化处理。

代码示例

以下是一个简化的自注意力机制的实现示例：

import torch
import torch.nn.functional as Fclass SelfAttention(torch.nn.Module):def __init__(self, embed_size, heads):super(SelfAttention, self).__init__()self.embed_size = embed_sizeself.heads = headsself.head_dim = embed_size // headsassert self.head_dim * heads == embed_size, "Embedding size needs to be divisible by heads"self.values = torch.nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)self.keys = torch.nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)self.queries = torch.nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)self.fc_out = torch.nn.Linear(heads * self.head_dim, embed_size)def forward(self, values, keys, query, mask):N = query.shape[0]value_len, key_len, query_len = values.shape[1], keys.shape[1], query.shape[1]values = values.reshape(N, value_len, self.heads, self.head_dim)keys = keys.reshape(N, key_len, self.heads, self.head_dim)queries = query.reshape(N, query_len, self.heads, self.head_dim)energy = torch.einsum("nqhd,nkhd->nhqk", [queries, keys])if mask is not None:energy = energy.masked_fill(mask == 0, float("-1e20"))attention = torch.nn.functional.softmax(energy / (self.embed_size ** (1 / 2)), dim=3)out = torch.einsum("nhql,nlhd->nqhd", [attention, values]).reshape(N, query_len, self.heads * self.head_dim)out = self.fc_out(out)return out