NLP-大语言模型学习系列目录

一、注意力机制基础——RNN,Seq2Seq等基础知识
二、注意力机制【Self-Attention,自注意力模型】

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🔥 在自然语言处理（NLP）领域，理解和生成自然语言的能力对于构建智能系统至关重要。从文本分类、机器翻译到对话系统，底层技术的不断进步推动了NLP的发展。在这些技术中，循环神经网络（RNN）及其变种如长短期记忆网络（LSTM）、Seq2Seq模型和注意力机制（Attention Mechanism）扮演了重要角色。

📚 本系列博客将从基础知识开始，逐步深入探讨大语言模型在NLP中的应用。我们将从RNN的经典结构出发，介绍其工作原理和局限性，接着探讨Seq2Seq模型及其在机器翻译中的应用，最后深入解读注意力机制及其在现代深度学习模型中的重要性。

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循环神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）是一类以序列数据为输入，在序列的演进方向进行递归且所有节点（循环单元）按链式连接的递归神经网络（recursive neural network）。对循环神经网络的研究始于二十世纪 80-90 年代，并在二十一世纪初发展为深度学习算法之一，其中双向循环神经网络和长短期记忆网络（Long Short-Term Memory networks，LSTM）是常见的循环神经网络。

一、RNN经典结构

经典循环神经网络的单个神经元如下图所示，它由输入层、一个隐藏层和一个输出层组成：

1. $x_t$ 是一个向量，它表示t时刻输入层的值；
2. $h_{t-1},h_t$ 分别表示t-1时刻和t时刻隐藏层的值.

其中$h_t$的计算如下：
$$h_t=f(U{h}_{t-1}+W{x}_t+b),$$
其中${\mathbf{x}}_t\in {\mathbb{R}}^M$ 为$t$时刻网络的输入，$\mathbf{U}\in {\mathbb{R}}^{D\times D}$ 为状态-状态权重矩阵，$\mathbf{W}\in {\mathbb{R}}^{D\times M}$为状态-输入权重矩阵，$\mathbf{b}\in {\mathbb{R}}^D$ 为偏置向量，$f$为激活函数.上面是RNN网络中的单个结点，下面给出长度为$T$的RNN网络，我们可以更清晰的看到前一时刻对后一时刻的影响.

现在看上去就比较清楚了, 这个网络在 $\mathrm{t}$ 时刻接收到输入 ${\mathrm{x}}_t$ 之后, 隐藏层的值是 $h_t$, 输出值是 ${\mathrm{y}}_t$ 。关键一点是, $h_t$ 的值不仅仅取决于 ${\mathrm{x}}_t$, 还取决于 ${\mathrm{h}}_{t-1}$ 。可以用下面的公式来表示循环神经网络的计算方法:
$${\mathrm{y}}_t=V{\mathrm{h}}_t(1)$$
$${\mathrm{h}}_t=f\left(W{\mathrm{x}}_t+U{\mathrm{h}}_{t-1}\right)(2)$$

1. 式 1 是输出层的计算公式, 输出层是一个全连接层, 也就是它的每个节点都和隐藏层的每个节点相连，$\mathrm{V}$ 是输出层的权重矩阵.
2. 式 2 是隐藏层的计算公式, 它是循环层。 $\mathrm{U}$ 是输入 $x$ 的权重矩阵, $\mathrm{W}$ 是上一次的值 ${\mathrm{h}}_{t-1}$ 作为这一次的输入的权重矩阵, $f$ 是激活函数.（这里我们省略$b$）

从上面的公式可以看出, 循环层和全连接层的区别就是循环层多了一个权重矩阵 $\mathrm{W}$ 。如果反复把式 2 带入到式 1 , 将得到:
$$\begin{array}{rl}{\mathrm{y}}_t& =V{\mathrm{h}}_t\\ & =Vf\left(W{\mathrm{x}}_t+U{\mathrm{h}}_{t-1}\right)\\ & =Vf\left(W{\mathrm{x}}_t+Uf\left(W{\mathrm{x}}_{t-1}+U{\mathrm{h}}_{t-2}\right)\right)\\ & =Vf\left(W{\mathrm{x}}_t+Uf\left(W{\mathrm{x}}_{t-1}+Uf\left(W{\mathrm{x}}_{t-2}+U{\mathrm{h}}_{t-3}\right)\right)\right)\\ & =Vf\left(W{\mathrm{x}}_t+Uf\left(W{\mathrm{x}}_{t-1}+Uf\left(W{\mathrm{x}}_{t-2}+Uf\left(W{\mathrm{x}}_{t-3}+\dots \right)\right)\right)\right)\end{array}$$
从上面可以看出, 循环神经网络的输出值${\mathrm{y}}_t$, 是受前面历次输入值 $ x_{t}, x_{t-1}, \cdots,x_1$影响的, 这就是为什么循环神经网络可以往前看任意多个输入值的原因。

Note:

• 从以上结构可看出，传统的RNN结构的输⼊和输出等⻓.
• 我们可以看到每个节点会共用参数$W,U,V$.

二、vector-to-sequence结构

有时我们要处理的问题输⼊是⼀个单独的值，输出是⼀个序列。

此时，有两种主要建模⽅式：

1. ⽅式⼀:可只在其中的某⼀个序列进⾏计算，⽐如序列第⼀个进⾏输⼊计算，其建模⽅式如下：
   
2. 把输⼊信息X作为每个阶段的输⼊，其建模⽅式如下：
   

三、sequence-to-vector结构

有时我们要处理的问题输⼊是⼀个序列，输出是⼀个单独的值，此时通常在最后的⼀个序列上进⾏输出变换，其建模如下所⽰：

四、Seq2Seq模型

RNN最重要的一个变种：Seq2Seq，这种结构又叫Encoder-Decoder模型。

原始的sequence-to-sequence结构的RNN要求序列等长，然⽽我们遇到的⼤部分问题序列都是不等长的，如机器翻译中，源语⾔和⽬标语⾔的句⼦往往并没有相同的长度。

1 Encoder

将输⼊数据编码成⼀个上下⽂向量 c，这部分称为Encoder，其⽰意如下所⽰：

得到c有多种⽅式：

1. 最简单的⽅法就是把Encoder的最后⼀个隐状态赋值给c ：$c=h_4$
2. 还可以对最后的隐状态做⼀个变换得到 :$c=q(h_4)$
3. 也可以对所有的隐状态做变换:$c=q(h_1+h_2+h_3+h_4)$

2 Decoder

拿到c之后，就用另一个RNN网络对其进行解码，这部分RNN网络被称为Decoder。具体做法就是将c当做初始状态输入到Decoder中：

还可以将c作为Decoder的每⼀步输⼊，⽰意图如下所⽰：

由于这种Encoder-Decoder结构不限制输入和输出的序列长度，因此应用的范围非常广泛，比如：

• 机器翻译，Encoder-Decoder的最经典应用，事实上这一结构就是在机器翻译领域最先提出的；
• 文本摘要，输入是一段文本序列，输出是这段文本序列的摘要序列；
• 阅读理解，将输入的文章和问题分别编码，再对其进行解码得到问题的答案；
• 语音识别，输入是语音信号序列，输出是文字序列。

五、Embedding

1 什么是 Embedding？

Embedding 是一种将离散的、高维的输入数据（如单词或符号）转换为连续的、低维的向量表示的方法。其目的是捕捉输入数据中的语义和结构信息，使其在向量空间中具有有意义的分布。

2 为什么需要 Embedding？

在 NLP 中，原始的文本数据通常由单词、子词或字符组成，这些元素本质上是离散的符号。传统的处理方法（如 one-hot 编码）会将每个单词表示为一个高维的稀疏向量，缺点如下：

1. 维度过高：词汇表中的每个单词都需要一个独立的维度，对于大型词汇表，这会导致向量的维度非常高。
2. 稀疏性：大多数维度都是 0，只有一个维度是 1，这导致向量非常稀疏。
3. 缺乏语义信息：one-hot 向量无法捕捉单词之间的语义关系，如“国王”与“王后”之间的关系。

Embedding 方法通过学习一个低维的、连续的向量表示来解决这些问题。每个单词或符号都被表示为一个实数向量，这些向量在训练过程中被优化，以捕捉单词之间的语义和语法关系。

3 Embedding 的实现

在深度学习模型（如 Transformer）中，embedding 通常通过一个可训练的查找表实现。查找表的每一行对应一个词汇表中的单词，行中的值是该单词的嵌入向量。这些嵌入向量在模型训练过程中不断调整，以优化模型的性能。

具体步骤如下：

1. 初始化：将每个单词初始化为一个随机的或预训练的向量。
2. 训练：在训练过程中，模型根据任务目标不断调整这些向量，使得它们能够更好地表示单词的语义和语法信息。
3. 使用：训练完成后，这些向量就可以用于各种 NLP 任务，如文本分类、情感分析、机器翻译等。

4 例子

假设我们有一个简单的词汇表：[“猫”, “狗”, “鱼”]。通过 embedding 层，这些单词会被转换为低维的向量，如：

• “猫” -> [0.2, -1.3, 0.5]
• “狗” -> [0.3, -1.2, 0.4]
• “鱼” -> [-0.5, 0.8, -0.1]

这些向量的维度通常比原始 one-hot 向量的维度小得多（如 300 维，而不是数万维），并且这些向量可以捕捉到单词之间的语义相似性。例如，“猫”与“狗”的向量可能比较接近，而“鱼”的向量则相对远一些。

5 实例：机器翻译

神经机器翻译（Neural Machine Translation, NMT）是一种基于深度学习技术的机器翻译方法。与传统的统计机器翻译（Statistical Machine Translation, SMT）不同，NMT 使用神经网络模型来直接建模源语言到目标语言之间的翻译过程。下图是Encoder编码的过程：

Note:

1. 在翻译的时候，我们需要对词进行Embedding，将其变成一个连续的向量表达.
2. $v_i$表示每个输入的词，通过embedding变成向量$s_i$,方便后续的处理,$W$是embedding过程中可学习的参数矩阵.
3. 得到$s_i$后，我们就可以按照前面介绍的方法进行Encoding.

Decoder的过程如下图所示：

Note:

1. ${\mathbf{z}}_{i-1}$为上一个节点的隐藏值，$u_i$为上一个节点的输出；
2. 用Softmax来得到预测的每个词的概率，概率最大的作为当前预测词.

6 总结

Embedding 是一种将离散的输入数据转换为连续的、低维向量表示的方法，广泛应用于自然语言处理任务中。它能够有效地捕捉单词之间的语义和语法关系，提高模型的处理能力和表现。在 Transformer 等深度学习模型中，embedding 层是关键组成部分，负责将输入序列转换为模型可以处理的向量形式。

参考资料

1. 深度学习500问
2. 邱锡鹏，神经网络与深度学习，机械工业出版社，https://nndl.github.io/, 2020.