【深度学习】注意力机制介绍，了解什么是注意力计算规则以及常见的计算规则，知道注意力机制的工作流程

1注意力机制介绍

1.1 注意力概念

• 我们观察事物时，之所以能够快速判断一种事物(当然允许判断是错误的), 是因为我们大脑能够很快把注意力放在事物最具有辨识度的部分从而作出判断，而并非是从头到尾的观察一遍事物后，才能有判断结果. 正是基于这样的理论，就产生了注意力机制.

1.2 注意力计算规则 

• 它需要三个指定的输入Q(query), K(key), V(value), 然后通过计算公式得到注意力的结果, 这个结果代表query在key和value作用下的注意力表示. 当输入的Q=K=V时, 称作自注意力计算规则.

• Q, K, V的比喻解释:

  假如我们有一个问题: 给出一段文本，使用一些关键词对它进行描述!
  为了方便统一正确答案，这道题可能预先已经给大家写出了一些关键词作为提示.其中这些给出的提示就可以看作是key， 
  而整个的文本信息就相当于是query，value的含义则更抽象，可以比作是你看到这段文本信息后，脑子里浮现的答案信息，
  这里我们又假设大家最开始都不是很聪明，第一次看到这段文本后脑子里基本上浮现的信息就只有提示这些信息，
  因此key与value基本是相同的，但是随着我们对这个问题的深入理解，通过我们的思考脑子里想起来的东西原来越多，
  并且能够开始对我们query也就是这段文本，提取关键信息进行表示.  这就是注意力作用的过程， 通过这个过程，
  我们最终脑子里的value发生了变化，
  根据提示key生成了query的关键词表示方法，也就是另外一种特征表示方法.
  
  刚刚我们说到key和value一般情况下默认是相同，与query是不同的，这种是我们一般的注意力输入形式，
  但有一种特殊情况，就是我们query与key和value相同，这种情况我们称为自注意力机制，就如同我们的刚刚的例子， 
  使用一般注意力机制，是使用不同于给定文本的关键词表示它. 而自注意力机制,
  需要用给定文本自身来表达自己，也就是说你需要从给定文本中抽取关键词来表述它, 相当于对文本自身的一次特征提取.
  

  1.3 常见的注意力计算规则

• 将Q，K进行纵轴拼接, 做一次线性变化, 再使用softmax处理获得结果最后与V做张量乘法.

• 𝐴𝑡𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑜𝑛(𝑄,𝐾,𝑉)=𝑆𝑜𝑓𝑡𝑚𝑎𝑥(𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟([𝑄,𝐾]))⋅𝑉

• 将Q，K进行纵轴拼接, 做一次线性变化后再使用tanh函数激活, 然后再进行内部求和, 最后使用softmax处理获得结果再与V做张量乘法.

• 𝐴𝑡𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑜𝑛(𝑄,𝐾,𝑉)=𝑆𝑜𝑓𝑡𝑚𝑎𝑥(𝑠𝑢𝑚(𝑡𝑎𝑛ℎ(𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟([𝑄,𝐾]))))⋅𝑉

• 将Q与K的转置做点积运算, 然后除以一个缩放系数, 再使用softmax处理获得结果最后与V做张量乘法.

• 

• 说明：当注意力权重矩阵和V都是三维张量且第一维代表为batch条数时, 则做bmm运算.bmm是一种特殊的张量乘法运算.

• bmm运算演示:

# 如果参数1形状是(b × n × m), 参数2形状是(b × m × p), 则输出为(b × n × p)
>>> input = torch.randn(10, 3, 4)
>>> mat2 = torch.randn(10, 4, 5)
>>> res = torch.bmm(input, mat2)
>>> res.size()
torch.Size([10, 3, 5])

2 什么是注意力机制

• 注意力机制是注意力计算规则能够应用的深度学习网络的载体, 同时包括一些必要的全连接层以及相关张量处理, 使其与应用网络融为一体. 使用自注意力计算规则的