seq2seq通俗理解----编码器和解码器(TensorFlow实现)

本文介绍了seq2seq模型,包括编码器和解码器的工作原理,以及在机器翻译任务中的应用。在训练模型时使用编码器将输入序列转化为固定长度的背景变量,解码器则根据背景变量生成输出序列。文章还探讨了贪婪搜索、穷举搜索和束搜索三种不同的序列预测方法,并提及了BLEU得分作为机器翻译结果的评估标准。最后,提到了使用TensorFlow实现seq2seq模型的代码示例。

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1. 什么是seq2seq

在⾃然语⾔处理的很多应⽤中,输⼊和输出都可以是不定⻓序列。以机器翻译为例,输⼊可以是⼀段不定⻓的英语⽂本序列,输出可以是⼀段不定⻓的法语⽂本序列,例如:

英语输⼊:“They”、“are”、“watching”、“.”

法语输出:“Ils”、“regardent”、“.”

当输⼊和输出都是不定⻓序列时,我们可以使⽤编码器—解码器(encoder-decoder)或者seq2seq模型。序列到序列模型,简称seq2seq模型。这两个模型本质上都⽤到了两个循环神经⽹络,分别叫做编码器和解码器。编码器⽤来分析输⼊序列,解码器⽤来⽣成输出序列。两 个循环神经网络是共同训练的。

下图描述了使⽤编码器—解码器将上述英语句⼦翻译成法语句⼦的⼀种⽅法。在训练数据集中,我们可以在每个句⼦后附上特殊符号“<eos>”(end of sequence)以表⽰序列的终⽌。编码器每个时间步的输⼊依次为英语句⼦中的单词、标点和特殊符号“<eos>”。下图中使⽤了编码器在 最终时间步的隐藏状态作为输⼊句⼦的表征或编码信息。解码器在各个时间步中使⽤输⼊句⼦的 编码信息和上个时间步的输出以及隐藏状态作为输⼊。我们希望解码器在各个时间步能正确依次 输出翻译后的法语单词、标点和特殊符号“<eos>”。需要注意的是,解码器在最初时间步的输⼊ ⽤到了⼀个表⽰序列开始的特殊符号“”(beginning of sequence)。

2. 编码器

编码器的作⽤是把⼀个不定⻓的输⼊序列变换成⼀个定⻓的背景变量 c,并在该背景变量中编码输⼊序列信息。常⽤的编码器是循环神经⽹络。

让我们考虑批量⼤小为1的时序数据样本。假设输⼊序列是 x1, . . . , xT,例如 xi 是输⼊句⼦中的第 i 个词。在时间步 t,循环神经⽹络将输⼊ xt 的特征向量 xt 和上个时间步的隐藏状态 h t − 1 h_{t-1} ht1变换为当前时间步的隐藏状态ht。我们可以⽤函数 f 表达循环神经⽹络隐藏层的变换:

h t = f ( x t , h t − 1 ) h_t=f(x_t,h_{t-1}) ht=f(xt,ht1)

接下来,编码器通过⾃定义函数 q 将各个时间步的隐藏状态变换为背景变量:

c = q ( h 1 , . . . , h T ) c=q(h_1,...,h_T) c=q(h1,...,hT)

例如,当选择 q(h1, . . . , hT ) = hT 时,背景变量是输⼊序列最终时间步的隐藏状态hT

以上描述的编码器是⼀个单向的循环神经⽹络,每个时间步的隐藏状态只取决于该时间步及之前的输⼊⼦序列。我们也可以使⽤双向循环神经⽹络构造编码器。在这种情况下,编码器每个时间步的隐藏状态同时取决于该时间步之前和之后的⼦序列(包括当前时间步的输⼊),并编码了整个序列的信息。

3. 解码器

刚刚已经介绍,编码器输出的背景变量 c 编码了整个输⼊序列 x1, . . . , xT 的信息。给定训练样本中的输出序列 y1, y2, . . . , yT′ ,对每个时间步 t′(符号与输⼊序列或编码器的时间步 t 有区别),解码器输出 yt′ 的条件概率将基于之前的输出序列 y 1 , . . . , y t ′ − 1 y_1,...,y_{t^{′}-1} y1,...,yt1 和背景变量 c,即:

P ( y t ′ ∣ y 1 , . . . , y t ′ − 1 , c ) P(y_{t^{′}}|y_1,...,y_{t^{′}-1},c) P(yty1,...,yt1,c)

为此,我们可以使⽤另⼀个循环神经⽹络作为解码器。在输出序列的时间步 t′,解码器将上⼀时间步的输出 y t ′ − 1 y_{t^{′}-1} yt1 以及背景变量 c 作为输⼊,并将它们与上⼀时间步的隐藏状态 s t ′ − 1 s_{t^{′}-1} st1 变换为当前时间步的隐藏状态st′。因此,我们可以⽤函数 g 表达解码器隐藏层的变换:

s t ′ = g ( y t ′ − 1 , c , s t ′ − 1 ) s_{t^{′}}=g(y_{t^{′}-1},c,s_{t^{′}-1}) st=g(yt1,c,st1)

有了解码器的隐藏状态后,我们可以使⽤⾃定义的输出层和softmax运算来计算 P ( y t ′ ∣ y 1 , . . . , y t ′ − 1 , c ) P(y_{t^{′}}|y_1,...,y_{t^{′}-1},c) P(y

<think>好的,我现在需要帮助用户理解编码器解码器的工作原理,以及注意力机制中因果非因果解码器的区别。首先,我得回顾一下用户提供的引用内容,确保我的回答准确并符合他们给出的资料。 用户提到了参考的四个引用,其中引用[1][2]主要介绍了编码器-解码器架构的基本概念,特别是处理可变长度序列的应用,比如机器翻译。引用[3][4]则涉及注意力机制,尤其是自注意力交叉注意力的区别,以及它们在Transformer模型中的应用。 首先,我需要解释编码器解码器各自的功能。编码器负责将输入序列(如一个句子)转换为定长的中间表示,通常是一个包含上下文信息的向量或序列。解码器则利用这个中间表示生成输出序列,比如另一种语言的翻译结果。这部分需要结合引用[1]的内容,说明编码器处理输入,解码器生成输出的过程。 接下来是注意力机制的部分。根据引用[3][4],自注意力交叉注意力的区别在于处理的数据源不同。自注意力用于同一序列内部的信息整合,而交叉注意力则连接编码器解码器,允许解码器访问编码器的输出。例如,在Transformer中,解码器在生成每个词时,通过交叉注意力参考编码器的输出,从而获取源语言的信息。 然后需要详细说明因果(非因果)解码器的区别。因果解码器,也就是自回归模型中的解码器,必须保证在生成当前词时只能看到之前的词,不能看到未来的信息。这通常通过掩码实现,如引用[4]提到的,可能在解码器的自注意力层中使用掩码来遮蔽后续位置的信息。而非因果解码器没有这种限制,可以同时处理整个序列,适用于不需要顺序生成的任务,比如文本编码或某些类型的序列标注。 应用场景方面,因果解码器常见于生成式任务,如机器翻译、文本生成,而非因果可能更多用于双向上下文建模,比如BERT这样的预训练模型。不过用户的问题集中在解码器,所以需要明确区分两种解码器适用的不同场景。 最后,结合用户的问题,生成相关问题,可能需要涉及编码器-解码器的架构差异、注意力机制的具体计算步骤,以及实际应用中的例子。同时,确保所有数学公式用正确的LaTeX格式,如自注意力的计算可能需要用$$...$$来展示独立公式。 现在需要检查是否所有引用都被正确引用,比如在提到编码器-解码器架构时引用[1],在位置编码时引用[2],自注意力交叉注意力分别引用[3][4]。同时,确保回答结构清晰,分点解释各部分的工作原理,以及因果与非因果的区别,可能使用小标题或分段来组织内容。 可能需要注意用户提到的“因果非因果解码器”具体是指解码器中的注意力机制类型,因此需要明确说明在解码器中,自注意力层是因果的(带掩码),而交叉注意力层是非因果的,可以访问整个编码器输出。这部分需要结合引用[4]的内容,说明交叉注意力如何混合两个不同序列,而自注意力在解码器中受限制。 总结回答的结构: 1. 编码器的工作原理应用 2. 解码器的工作原理应用 3. 注意力机制的类型:自注意力交叉注意力 4. 因果与非因果解码器的区别 5. 应用场景对比 在写作过程中,要确保使用正确的中文术语,避免技术术语的错误,并且所有公式正确用LaTeX格式。例如,自注意力的计算公式可能需要单独成段,使用$$...$$,如: $$ \text{Attention}(Q, K, V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V $$ 此外,用户示例中的快速排序部分给出了代码块相关问题,这里可能需要类似的结构,但用户的问题属于理论解释,所以重点放在分点解释引用上。 最后,生成的相关问题需要围绕编码器-解码器、注意力机制、因果与非因果的应用展开,确保问题具有针对性,能够帮助用户进一步深入学习。</think>### 编码器解码器工作原理及注意机制区别 #### 一、编码器解码器工作原理 1. **编码器** 编码器将输入序列(如自然语言句子)转化为包含全局语义信息的中间表示。通过多层神经网络(如Transformer的编码层),逐步提取特征并压缩为定长向量或序列。其核心组件包括: - **自注意力机制**:捕捉序列内部元素间依赖关系,例如单词之间的语义关联[^3] - **位置编码**:注入序列顺序信息,解决传统RNN无法并行计算的问题[^2] 应用场景:机器翻译的源语言编码、文本分类的特征提取等[^1] 2. **解码器** 解码器基于编码器的中间表示生成目标序列(如翻译结果),通常采用自回归方式逐词生成。其核心特点包括: - **交叉注意力机制**:在生成每个词时动态关注编码器输出的相关部分[^4] - **因果约束**:通过掩码确保生成时仅依赖已生成的词(因果解码器) 应用场景:文本生成、语音合成等序列生成任务。 #### 二、注意机制的核心区别 1. **自注意力 vs 交叉注意力** - **自注意力**:处理单一序列内部关系,计算公式为: $$ \text{Attention}(Q, K, V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V $$ 其中$Q,K,V$均来自同一输入序列[^3] - **交叉注意力**:连接编码器解码器,$Q$来自解码器,$K,V$来自编码器输出,实现跨序列信息融合[^4] 2. **因果与非因果解码器** | 特性 | 因果解码器 | 非因果解码器 | |--------------------|-------------------------------|---------------------------| | 注意力掩码 | 强制遮蔽未来位置信息 | 无位置限制 | | 生成方式 | 严格自回归(逐词生成) | 可并行处理整个序列 | | 典型应用 | 机器翻译、对话生成 | 文本编码、双向上下文建模 | | 训练效率 | 需序列化训练,速度较慢 | 可并行计算,训练更快 | **因果解码器示例**: 在Transformer解码器中,自注意力层通过三角掩码矩阵实现因果性: ```python # 伪代码:生成下三角掩码矩阵 mask = torch.tril(torch.ones(seq_len, seq_len)) == 0 attention_weights.masked_fill_(mask, -float('inf')) ``` #### 三、应用场景对比 - **因果解码器**:需保证生成顺序的任务 ➔ 机器翻译中目标语言的逐词生成 ➔ 语音识别中音素序列的时序预测 - **非因果解码器**:需全局信息处理的任务 ➔ BERT等预训练模型的双向语义编码 ➔ 文本分类中的上下文特征提取
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