Attention机制与Self-Attention机制的区别

本文深入探讨了Attention机制及其变种Self-Attention的工作原理,对比了两者在Encoder-Decoder模型中的应用差异。传统Attention机制依赖于Source和Target间的交互,而Self-Attention则专注于Source或Target内部元素的相互作用。
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       本文主要讲解Attention机制与Self-Attention机制的区别,默认读者已经了解过Attention、Self-Attention、Transformer、seq2seq model。

       传统的Attention机制在一般任务的Encoder-Decoder model中,输入Source和输出Target内容是不一样的,比如对于英-中机器翻译来说,Source是英文句子,Target是对应的翻译出的中文句子,Attention机制发生在Target的元素Query和Source中的所有元素之间。简单的讲就是Attention机制中的权重的计算需要Target来参与的,即在Encoder-Decoder model中Attention权值的计算不仅需要Encoder中的隐状态而且还需要Decoder 中的隐状态。

       而Self Attention顾名思义,指的不是Target和Source之间的Attention机制,而是Source内部元素之间或者Target内部元素之间发生的Attention机制,也可以理解为Target=Source这种特殊情况下的注意力计算机制。例如在Transformer中在计算权重参数时将文字向量转成对应的KQV,只需要在Source处进行对应的矩阵操作,用不到Target中的信息。

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### EMA注意力机制Self-Attention机制区别深度学习领域,注意力机制Attention Mechanism)是用于捕捉序列或图像中不同部分之间关系的一种技术。EMA(Exponential Moving Average)注意力机制Self-Attention机制是两种不同的注意力实现方式,它们在计算方式、效率以及应用场景上存在显著差异。 #### 1. Self-Attention机制 Self-Attention,也被称为点积注意力(Dot-Product Attention),是一种广泛应用于Transformer架构中的注意力机制。其核心思想是通过计算输入序列中每个位置其他所有位置的相关性,来动态调整权重[^1]。 - **计算过程**: Self-Attention通过三个矩阵(Query、Key、Value)进行操作。对于输入序列的每个元素,计算其所有其他元素之间的相似度(通常使用点积),然后通过Softmax函数归一化这些相似度得分,得到加权系数。最终,这些加权系数用于对Value矩阵加权求和,生成输出表示。 ```python def scaled_dot_product_attention(query, key, value): scores = torch.matmul(query, key.transpose(-2, -1)) / np.sqrt(d_k) attn_weights = torch.softmax(scores, dim=-1) output = torch.matmul(attn_weights, value) return output, attn_weights ``` - **特点**: - 计算复杂度较高,为O(n²),其中n是序列长度。 - 能够捕捉长距离依赖关系,但随着序列长度增加,计算开销迅速增长。 - 在Transformer模型中被广泛应用,例如自然语言处理任务中的机器翻译和文本生成。 #### 2. EMA注意力机制 EMA(Exponential Moving Average)注意力机制是一种基于指数移动平均的思想设计的注意力方法。它通过递归地更新隐藏状态的加权平均值,从而减少对整个序列的直接依赖,降低计算复杂度[^3]。 - **计算过程**: EMA注意力的核心在于递归地更新隐藏状态。假设当前时刻的隐藏状态为\( h_t \),则下一时刻的隐藏状态可以表示为: \[ h_{t+1} = (1 - \alpha) \cdot h_t + \alpha \cdot x_{t+1} \] 其中,\( \alpha \)是一个平滑因子,控制历史信息当前输入之间的平衡。通过这种方式,EMA注意力能够以线性复杂度O(n)近似捕捉序列中的依赖关系。 ```python def ema_attention(x, alpha): hidden_state = torch.zeros_like(x[0]) outputs = [] for t in range(len(x)): hidden_state = (1 - alpha) * hidden_state + alpha * x[t] outputs.append(hidden_state) return torch.stack(outputs) ``` - **特点**: - 计算复杂度较低,适合处理长序列数据。 - 由于递归更新的特性,可能无法精确捕捉某些复杂的长距离依赖关系。 - 更注重局部信息的更新,适用于需要高效推理的场景。 #### 3. 主要区别 | 特性 | Self-Attention | EMA注意力机制 | |-------------------|----------------------------------|-------------------------------| | **计算复杂度** | O(n²) | O(n) | | **依赖范围** | 全局依赖 | 局部递归依赖 | | **适用场景** | 长距离依赖关系捕捉 | 高效推理、短距离依赖捕捉 | | **内存消耗** | 较高 | 较低 | EMA注意力机制通过递归更新的方式,在一定程度上简化了Self-Attention的计算过程,同时保留了注意力机制的核心思想。然而,由于其递归特性,可能无法完全替代Self-Attention在捕捉全局依赖关系上的能力。
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