Transformer/Bert

诸神缄默不语-个人CSDN博文目录

1. Transformer

基于Encoder-Decoder架构，最初用于翻译任务。

左边是encoder，右边是decoder。

1.1 Transformer整体工作流程

1. 获取输入句子的每一个单词的表示向量 X，X由单词的 Embedding 和单词位置的 Embedding 相加得到
   
2. 将得到的单词表示向量矩阵 (如上图所示，每一行是一个单词的表示 x) 传入 Encoder 中，经过 6 个 Encoder block 后可以得到句子所有单词的编码信息矩阵 C，如下图
   
   每一个block的输入和输出矩阵维度都相同：$n\times d$（论文中d=512）
3. 将Encoder输出的编码信息矩阵 C传递到 Decoder 中，Decoder 依次会根据当前翻译过的单词 i 翻译下一个单词 i+1（这种按顺序解码的操作叫autoregressive (AR)），如下图所示。
   decoder训练时的输入就是真实标签（ground truth (GT)），测试时的每次的输入是上一次的解码结果（第一次就以特殊token作为开头），用encoder得到的编码来做attention。测试时以出现或达到解码最大token数为结束标志。
   翻译到单词 i+1 的时候需要通过 Mask (掩盖) 操作遮盖住 i+1 之后的单词。
   
   上图 Decoder 接收了 Encoder 的编码矩阵 C，然后首先输入一个翻译开始符 “”，预测第一个单词 “I”；然后输入翻译开始符 “” 和单词 “I”，预测单词 “have”，以此类推。

1.2 Transformer的输入

1.2.1 单词 Embedding

单词的 Embedding 有很多种方式可以获取，例如可以采用 Word2Vec、Glove 等算法预训练得到，也可以在 Transformer 中训练得到。

1.2.2 位置 Embedding

Transformer 中除了单词的 Embedding，还需要使用位置 Embedding 表示单词出现在句子中的位置。因为 Transformer 不采用 RNN 的结构，而是使用全局信息，不能利用单词的顺序信息，而这部分信息对于 NLP 来说非常重要。所以 Transformer 中使用位置 Embedding 保存单词在序列中的相对或绝对位置。
（如果不用位置编码的话，就跟词袋模型差不多了）
位置 Embedding 用 PE表示，PE 的维度与单词 Embedding 是一样的。PE 可以通过训练得到，也可以使用某种公式计算得到。在 Transformer 中采用了后者，计算公式如下：

其中，pos 表示单词在句子中的位置，d 表示 PE的维度 (与词 Embedding 一样)，2i 表示偶数的维度，2i+1 表示奇数维度 (即 2i≤d, 2i+1≤d)。使用这种公式计算 PE 有以下的好处：

• 使 PE 能够适应比训练集里面所有句子更长的句子，假设训练集里面最长的句子是有 20 个单词，突然来了一个长度为 21 的句子，则使用公式计算的方法可以计算出第 21 位的 Embedding。
• 可以让模型容易地计算出相对位置，对于固定长度的间距 k，PE(pos+k) 可以用 PE(pos) 计算得到。因为 Sin(A+B) = Sin(A)Cos(B) + Cos(A)Sin(B), Cos(A+B) = Cos(A)Cos(B) - Sin(A)Sin(B)。

将单词的词 Embedding 和位置 Embedding 相加，就可以得到单词的表示向量 x，x 就是 Transformer 的输入。

1.3 Block

1.3.1 Add & Norm层

Add 表示残差连接 (Residual Connection) 用于防止网络退化，Norm 表示 Layer Normalization，用于对每一层的激活值进行归一化。

Add操作出自ResNet：

Norm指 Layer Normalization，通常用于 RNN 结构，Layer Normalization 会将每一层神经元的输入都转成均值方差都一样的，这样可以加快收敛。

1.3.2 Self-Attention

Q-query
K-key
V-value

self-attention中的QKV都是对输入进行线性转换后得到的（XQKV都是每一行代表一个token）：

decoder中的K和V则是用 Encoder 的编码信息矩阵 C 计算的。

根据 Encoder 的输出 C计算得到 K, V，根据上一个 Decoder block 的输出 Z 计算 Q (如果是第一个 Decoder block 则使用输入矩阵 X 进行计算)，后续的计算方法与encoder述的一致。
这样做的好处是在 Decoder 的时候，每一位单词都可以利用到 Encoder 所有单词的信息 (这些信息无需 Mask)。

得到QKV后计算输出：

公式中计算矩阵 Q和 K 每一行向量的内积，为了防止内积过大，因此除以 $d_k$ 的平方根。Q 乘以 K 的转置后，得到的矩阵行列数都为 n，n 为句子单词数，这个矩阵可以表示单词之间的 attention 强度。下图为 Q 乘以 K 的转置，1234 表示的是句子中的单词。

得到 QK${}^T$ 之后，使用 Softmax 计算每一个单词对于其他单词的 attention 系数，公式中的 Softmax 是对矩阵的每一行进行 Softmax，即每一行的和都变为 1。

得到 Softmax 矩阵之后可以和 V相乘，得到最终的输出 Z。

上图中 Softmax 矩阵的第 1 行表示单词 1 与其他所有单词的 attention 系数，最终单词 1 的输出 $Z_1$ 等于所有单词 i 的值 $V_i$ 根据 attention 系数的比例加在一起得到，如下图所示：

另一种诠释方式是将每个词的向量拆出来看：每个词的词向量都是所有词向量value的加权求和，权重则是由Q和K点乘得到的

1.3.3 Multi-Head Attention

将多个（8个）attention机制的结果concat在一起，以增加attention机制本身的鲁棒性：

可以看到 Multi-Head Attention 输出的矩阵 Z与其输入的矩阵 X 的维度是一样的。

1.3.4 Feed Forward

线性转换→ReLU→线性转换：

Feed Forward 最终得到的输出矩阵的维度与 X 一致。

1.3.5 Masked Multi-Head Attention

Decoder预测时输入的内容和输出的对象（使用teacher forcing¹思想）：

事实上每次的输入都是完整的输出标签，通过mask实现每次模型只看到当前timestep之前的输出：
下面用 0 1 2 3 4 5 分别表示 I have a cat

我认为这个mask之所以要这么搞，是因为整个神经网络模型需要进行矩阵运算，用这样矩阵形式的mask方便进行整个的矩阵运算。

首先进行和之前的self-attention一样的操作，线性转换得到QKV，然后计算QK${}^T$：
（KV是通过encoder得到的C计算的，Q是通过decoder上一层输出得到的）

在得到 QKT 之后需要进行 Softmax，计算 attention score，我们在 Softmax 之前需要使用 Mask矩阵遮挡住每一个单词之后的信息，也就是直接把每个timestep对应单词之后的元素值置0：

得到 Mask QK${}^T$ 之后进行 Softmax，每一行的和都为 1

使用 Mask QKT 与矩阵 V相乘，得到输出 Z，则单词 1 的输出向量 $Z_1$ 是只包含单词 1 信息的。

得到一个 Mask Self-Attention 的输出矩阵 Zi，然后和 Encoder 类似，通过 Multi-Head Attention 拼接多个输出 Zi 然后计算得到第一个 Multi-Head Attention 的输出 Z，Z与输入 X 维度一样。

1.4 Softmax 预测输出单词

整个预测过程在训练时可以同步（直接让每个位置都拟合真实值），但在测试时是autoregressive的，意思是每一步都用encoder的表征+上一步的输出来预测这一步的单词。

Decoder block 最后的部分是利用 Softmax 预测下一个单词，在之前的网络层我们可以得到一个最终的输出 Z，因为 Mask 的存在，使得单词 0 的输出 $Z_0$ 只包含单词 0 的信息，如下：

Softmax 根据输出矩阵的每一行预测下一个单词

1.5 Transformer优势

相比RNN，Transformer能够比较好地并行训练。
Transformer 中 Multi-Head Attention 中有多个 Self-Attention，可以捕获单词之间多种维度上的相关系数 attention score。

2. 其他参考资料

1. Transformer 模型详解：这是我看过写得最好的一篇transformer博文，清晰简洁，深入浅出。本文基本架构全部参考此文
2. The Illustrated Transformer – Jay Alammar – Visualizing machine learning one concept at a time. 我看的是中文版：The Illustrated Transformer【译】_于建民的博客-CSDN博客  图解Transformer | The Illustrated Transformer-CSDN博客
   这篇图画得好看。理解思路整体和本文差不多
3. 谷歌官方transformer博文：Transformer: A Novel Neural Network Architecture for Language Understanding – Google Research Blog
4. 我还没看
   1. Attention Is All You Need：transformer原始论文
      Attention is all you need论文翻译-CSDN博客
   2. The Annotated Transformer（代码：harvardnlp/annotated-transformer: An annotated implementation of the Transformer paper.，老版博文：The Annotated Transformer）
      这篇我之前也看过老版。以后可能会发具体讲解
   3. Transformer models: an introduction and catalog
   4. 如何从浅入深理解transformer？ - 知乎
   5. Transformer模型详解（图解最完整版） - 知乎
   6. Attention is all you need; Attentional Neural Network Models | Łukasz Kaiser | Masterclass - YouTube
   7. 通俗易懂的Attention、Transformer、BERT原理详解_transformer attention。原理-CSDN博客
   8. Scheduled Sampling for Sequence Prediction with Recurrent Neural Networks

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1. 我看的是What is Teacher Forcing for Recurrent Neural Networks?
   总之意思就是用真实值而非上一timestep的输出值作为下一timestep的输入，效果会更好。（RNN中就直接切换上一cell的输出值/上一cell位置的真实标签，在Transformer中则通过mask实现） ↩︎