transforemr网络理解

原创于 2024-09-09 17:17:32 发布 · 1.1k 阅读

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#transformer

1.transformer网络中数据的流动过程：

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2.transformer中残差的理解：

残差连接（Residual Connection）的核心思想就是通过将输入与经过变化的输出相加，来最大限度地保留原始信息。
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transforemr中注意力层网络和前馈神经网络的区别？

自注意力机制（Self-Attention Mechanism）

作用：

自注意力机制的主要作用是根据输入序列中的每个元素，动态地关注序列中其他相关元素。这种机制允许模型捕捉序列中不同位置的全局依赖关系，从而使得信息在整个序列中进行交互。
工作机制：
自注意力机制通过计算输入序列的查询（Query）、键（Key）和值（Value）矩阵，来决定每个输入元素与其他元素的相关性。相关性用点积注意力得分表示，并根据这些注意力得分对序列中的值进行加权求和。这样，序列中的每个位置都能根据其他位置的信息来更新自身的表示。
前馈神经网络：
作用：
前馈神经网络的主要作用是对每个输入元素进行独立的非线性变换。FFNN 在自注意力之后用于进一步处理和转化信息，但它并不考虑输入序列中元素之间的相互关系。
工作机制：
前馈神经网络通常是一个逐元素（即对每个序列位置单独操作）的两层全连接神经网络，带有激活函数。每个元素被映射到更高维度，然后再映射回原来的维度。
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transformer中每个元素生成的对应的q,k,v是怎么生成的呢？

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举个例子介绍：

3.Q,K,V矩阵在注意力机制中的作用：
- 注意力机制（Self-Attention）的确主要作用是寻找序列中两个元素之间的相似性。它通过计算查询向量（Q）和键向量（K）的点积，来衡量序列中元素之间的关系或依赖性，并根据这些相似性来加权值向量（V）。这种机制使得每个元素都能动态调整自身表示，能够捕捉输入序列中全局的信息。简单来说，注意力机制在做的是“找相似”：通过 Q 和 K 的相关性，决定每个元素与其他元素的关联程度。

前馈神经网络（Feedforward Neural Network,
FFN）则是在序列的每个元素上独立进行非线性变换，相当于寻找一个拟合能力比较强的函数。它不关注元素间的依赖关系，而是通过复杂的非线性变换（通常是带有激活函数的全连接层）增强模型对数据的表达能力。FFN 可以理解为一种增强模型对复杂模式的拟合能力的操作。简单来说，前馈神经网络在做的是“拟合非线性函数”：通过对输入的复杂非线性变换，提升模型对输入的表达和拟合能力。
总结：
注意力机制：主要作用是寻找序列中元素之间的相似性和依赖性。
前馈神经网络：主要作用是增强模型的非线性表达能力，相当于寻找一个拟合复杂模式的函数。

从矩阵变换的角度来理解transformer框架

从矩阵变换的角度解读 Transformer 框架时, 主要可以通过矩阵的操作理解整个模型中的计算过程, 特别是在自注意力机制、残差连接和前馈神经网络中。

输入与嵌入层

首先, 输入的序列通常是经过嵌入 (embedding) 后的词向量, 假设输入序列长度为 $N$ , 每个词向量的维度为 $d_{\text {model }}$ 。嵌入的结果就是一个 $\times d_{\text {model }}$ 的矩阵, 表示为 $X$ 。
$X$ 会加入位置编码（Positional Encoding）, 该位置编码也是一个矩阵, 大小同样为 $\times d_{\text {model }}$ ，它帮助模型捕捉序列中元素的顺序信息。

2.自注意力机制
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注意力打分计算:

计算查询矩阵 $Q$ 与键矩阵 $K$ 的点积：
$\operatorname{Attention}(Q, K, V)=\operatorname{softmax}\left(\frac{Q K^T}{\sqrt{d_k}}\right) V$
这一步通过矩阵乘法 $Q K^T$ 来得到元素间的相似性得分。结果是一个 $\times N$ 的矩阵，表示每个序列元素对其他元素的注意力权重。

权重矩阵与值矩阵相乘:

计算得到的注意力权重矩阵与 $V$ 矩阵相乘, 得到最终的注意力输出。这样, 每个元素的输出实际上是其他元素的加权组合。
自注意力机制的整个过程可以看作是基于矩阵乘法的线性变换。通过这些矩阵乘法，模型能够捕捉到序列中不同位置间的依赖关系。

残差连接与层归一化

在自注意力机制计算完成后, 输出的矩阵会通过残差连接和层归一化操作。残差连接就是将输入 $X$ 加到自注意力的输出上：
$Z=\operatorname{LayerNorm}(X+\operatorname{Attention}(Q, K, V))$
这里的加法是矩阵元素对应位置的相加, 这样可以帮助信息更好地传播, 避免梯度消失。

前馈神经网络

接下来的前馈神经网络对每个位置的表示进行独立的非线性变换。它也是通过两个线性变换完成的:
$\operatorname{FFN}(Z)=\operatorname{ReLU}\left(Z W_1+b_1\right) W_2+b_2$
其中, $W_1$ 和 $W_2$ 是权重矩阵, $b_1$ 和 $b_2$ 是偏置。这个过程可以看作是对输入矩阵进行两次线性变换, 中间夹带 ReLU 激活函数。

transformer中的多头注意力机制的理解。

自注意力机制的并行化主要指的是多头注意力机制 (Multi-Head Attention)。这种机制通过将自注意力分成多个头来并行处理不同的子空间，从而提高模型的表示能力。我们来详细解释一下多头注意力的并行化原理。

单头注意力机制
在常规的自注意力机制中, 输入的每个序列元素通过生成查询矩阵 $Q$ 、键矩阵 $K$ 和值矩阵 $V$ 来计算注意力得分, 并最终通过注意力得分对序列元素进行加权组合。这个过程本质上是通过点积来捕捉序列中不同元素之间的依赖关系, 并生成新的表示。
但是, 单头注意力只能学习到一种特定的注意力模式, 可能不足以捕捉复杂的依赖关系。尤其是对于输入的不同特征, 模型可能希望从多个角度来捕捉序列元素之间的联系。
多头注意力机制
为了增强模型的表示能力，多头注意力机制被提出。它的核心思想是将输入的数据划分成多个注意力头（heads），每个注意力头在一个子空间中独立计算注意力，然后将各个头的结果拼接起来。这种方式允许模型从不同的角度来观察输入序列，从而捕捉到更丰富的关系。
具体操作流程：
生成多个头的 $Q, K, V$ 矩阵:

对输入的矩阵 $X$ 通过不同的线性变换生成多个不同的 $Q, K, V$ 矩阵。假设有 $h$ 个头, 则每个头都会有自己的查询、键和值矩阵。

$Q_i=X W_Q^i, \quad K_i=X W_K^i, \quad V_i=X W_V^i$

其中 $W_Q^i, W_K^i, W_V^i$ 是第 $i$ 个头的线性变换权重。
2. 计算每个头的自注意力:

对每个头进行自注意力计算, 步骤与单头注意力相同。具体为:

$\text { Attention }_i=\operatorname{softmax}\left(\frac{Q_i K_i^T}{\sqrt{d_k}}\right) V_i$

这一步会为每个头生成独立的注意力输出。
3. 拼接多个头的结果:

在得到所有注意力头的输出后, 将这些结果沿着特征维度进行拼接:

$\text { Concat }\left(\text { head }_1, \text { head }_2, \ldots, \text { head }_h\right)$

这个拼接操作将所有头的输出组合成一个大的矩阵, 表示模型对输入的多角度注意力表示。

并行化的本质：

在计算多头注意力时，每个注意力头的计算是完全独立的，这意味着所有的头可以并行计算。这也是多头注意力机制的一大优势——并行计算能够提升计算效率，同时还可以增加模型的表示能力。
在硬件层面，GPU 等加速器非常擅长并行化操作，因此可以轻松处理多头注意力机制中的多个矩阵乘法操作。在实际应用中，这种并行化大大减少了模型的训练和推理时间。