A Mathematical Explanation of Transformers for Large Language Models and GPTs

该文章通过提出连续数学框架,将Transformer解释为积分微分方程的离散化形式,为其核心组件提供了统一理论基础,并拓展到多类衍生模型,填补了深度学习与连续数学建模的鸿沟。

一、文章主要内容总结

  1. 核心理论框架
    • 提出将Transformer架构严格解释为结构化积分微分方程的离散化结果,构建了连续域(token索引与特征维度)上的数学模型。
    • 在该框架中,自注意力机制对应非局部积分算子,层归一化对应时间依赖约束下的投影操作,前馈网络则通过积分变换与激活函数(如ReLU)实现。
  2. 模型推导与验证
    • 通过算子分裂法对连续积分微分方程进行时间离散,结合空间网格离散(token数量与嵌入维度),最终精确复现了原始Transformer(单头/多头注意力)、Vision Transformer(ViT)和卷积视觉Transformer(CvT)的架构。
    • 证明Transformer的训练过程等价于PDE约束下的优化问题,通过调整控制变量(如注意力权重、归一化参数)最小化预测与目标的损失。
  3. 扩展与应用
    • 将框架扩展到多头注意力:引入“头维度”作为额外连续变量,离散后对应多组独立注意力权重的并行计算与融合。
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