15、深度学习中的注意力机制:原理、实现与应用

深度学习中的注意力机制:原理、实现与应用

1. 注意力机制概述

在神经认知领域,注意力被定义为一种因计算资源有限而产生的认知聚焦形式。人类大脑虽强大,但在认知处理过程中易受干扰,会倾向于屏蔽某些无关信息。例如,当我们专注于工作电话时,会忽略同事的无关刺激;而当我们专注于一项复杂认知任务时,旁边的电话铃声可能会分散我们的注意力。

人类大脑似乎采用了不同的注意力机制,如将自愿注意力分配到刺激的某些部分(如阅读文本时关注某些单词)的“目标驱动”机制,以及关注刺激中被忽视部分(如最初跳过的单词)的“刺激驱动”机制。

在人工神经网络中引入注意力机制,能够对信息进行加权。在自然语言处理(NLP)任务中实现该机制,有助于我们洞察文本的重要方面,例如在进行主题分类时,神经网络最关注的单词。此外,去除无关信息对模型性能有益。我们将为多层感知器(MLP)和长短期记忆网络(LSTM)实现注意力机制,其中LSTM会考虑时间维度,允许注意力值在时间序列中传播。

以下是两个与注意力机制相关的应用场景:
| 场景 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 解释场景 | 支持分析师处理大量文本数据,分析师希望了解分类器为文本分配特定主题或情感标签的原因,即哪些单词对标签分配起主要作用。 |
| 处理嘈杂数据场景 | 构建文档分类器时,数据可能包含与文档主题和情感标签无关的单词,这会影响分类器性能。注意力机制能否通过降低对嘈杂单词的关注,提高对重要单词的关注,从而减少数据清理和术语选择的工作量。 |

在神经网络中,应将注意力编码为数值,最好在固定的归一化区间内。因此,我们将注意力编码为权重层,权重范围在[0,1]之间。接近1的

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