Transformer详解【学习笔记】

1、Transformer绪论

Transformer在做一个什么事情？Transformer可以用在机器翻译中，先不要管TRM（Transformer的缩写）具体做什么，输入是【我爱你】，输出是【I Love You】，

然后再细化TRM，我们把TRM分成2个部分，一个是Encoders（编码），Decoders（解码），

然后再对Encoders（编码），Decoders（解码）进行细化，如下图，需要注意Encoders之间的结构是相同的，Decoders之间的结构也是相同的，虽然Encoders和Decoders之间各自的结构是相同的，但是是单独训练的，Encoders和Decoders的数量是超参数，可以自己定义，

Transformer在原论文中的图示如下，左边是Encoders，右边是Decoders，N是相同结构的堆叠次数，

2、Encoders和Decoder

2.1 Encoders

把单个Encoders分成3个部分，分别是1、输入部分，2、注意力机制，3、前馈神经网络，

2.1.1 输入部分

输入部分分为Embedding和位置嵌入，什么是Embedding呢？

Embedding：

比如输入的词是【我爱你。。。】等12个字，分别将每个字输出为512维度的vector，vector可以使用word2vector，或者随机初始化，

位置编码：

为什么需要位置编码？如下图是RNN的结构图，RNN共享一套参数，如下图中的$U,W,V$，依次对输入的【我爱你。。。】等字进行处理。transformer中的multi-head attention是同时对这些字进行处理，好处是加快了速度，缺点是忽略了字与字之间的联系，为了弥补这个缺点，就引入了位置编码，
面试题：RNN的梯度消失有什么不同？ RNN的梯度是整个梯度之和，它的梯度消失不是变为0，而是总梯度被近距离梯度主导，远距离可忽略不计，

位置编码的公式：
pos是位置，$2i$是偶数位置，$2i+1$是奇数位置，

比如对于【爱】而言，它是1号位，所以应该用cos，

对于【爱】这个词，将字向量的512个维度和位置编码的512个维度相加组成transformer的输入，

引申一下，为什么位置编码会有用？

由公式（2）得到公式（3），比如对于$PE(pos+k,2i)$，pos这个位置表示【我】，k这个位置表示【爱】，pos+k表示【你】，从这个公式可以看出，【你】可以由pos【我】和k【爱】的线性组合，意味着绝对位置向量中蕴含着相对位置信息，但是这种相对位置信息会在注意力机制那里消失，

2.1.2 多头注意力机制

注意力机制
看下图婴儿在干嘛？我们可能会关注婴儿的脸，以及文字标题信息，颜色越深，关注度就越高，

transformer论文注意力机制公式：
$Q,K,V$是向量，分别代表Query，Key，Value，

• 下面来解释这个公式，还是拿上面婴儿的图片举例，首先Query代表的婴儿分别与Key1，Key2，Key3，Key4做点乘，点乘是一个向量在另一个向量投影的长度，它是一个标量，可以反映2个向量之间的相似度，相似度越高，则点乘结果越大，
• Query代表的婴儿分别与左上，左下，右上，右下做点乘，得到Value1，Value2，Value3，Value4，哪个Value最大说明Query和哪个区域相似度最高，距离最近，也就是越关注哪个区域，
• 回到上面的公式，假如$Q$和$K^T$的相乘的结果分别为0.7，0.1，0.1，0.1，做softmax之后，再分别乘以0.7，0.1，0.1，0.1，再相加得到Attention Value，

下面再举一个NLP的例子，Query代表【爱】，分别与Key1，Key2，Key3，Key4代表的【我】，【不】，【爱】，【你】做点乘，具体步骤如下2图，

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想要得到Attention，需要知道$Q,K,V$这3个向量，我们怎么获取这3个向量呢？

在只有单词向量的情况下，如何获取$QKV$，如下图输入【Thinking】，【Machines】，把输入Embedding为4维向量，然后分别与$W^Q$，$W^K$，$W^V$相乘，就得到相应的$QKV$，

如何计算Attention的值呢？由公式可知，$q$和$k$相乘，然后再除以$\sqrt{d_k}$，载经过softmax计算，再乘以$v$即可得到最终结果$z$，

实际代码使用矩阵，方便并行，

• 多头注意力机制，上图是乘以一套参数，下图是乘以多套参数。
• 作者通过做实验，发现多头比单头的效果要好，因为可以把输入映射到不同的空间，使transformer捕捉到不同空间的子信息，

输入信息通过不同的头输出不同的$z$，如下图，把8个不同的$z$合在一起输出，

2.1.3 残差

如下图，将【Thinking】和【Machine】分别转为词向量$X_1$和$X_2$，然后分别与各自的位置编码对位相加，得到新的$X_1$和$X_2$，然后经过自注意机制得到$Z_1$和$Z_2$，$Z_1$和$Z_2$变成一个矩阵$Z$，新的$X_1$和$X_2$变成一个矩阵$X$，$X$和$Z$对位相加，

残差结构：

如下图是常见的残差结构，

这里是另一个残差结构，结构和上图类似，A相当于上图中的$X$，B和C相当于上图中的2个weight layer，D相当于上图中的$F(X)+X$，

为什么残差结构有用呢？如下公式推导，使用残差结构可以避免梯度消失，因为一般情况下连乘可以使梯度消失，所以NLP模型可以做的更深，

2.1.4 LayNorm（Layer Normalization）

• 为什么BN的效果不如LayNorm？
• 答：BN的效果差，所以不用，

• 什么是BN，以及使用场景，BN是针对整个batch样本在同一维度特征中做处理，
• 什么是Feature Scaling？消除量纲的影响，使模型收敛的更快，

每一个列是一个样本，每一行是同一个特征，

BN的优点：

• 第一个就是可以解决内部协变量偏移，
• 第二个优点就是缓解了梯度饱和问题 (如果使用sigmoid激活函数的话)，加快收敛。

BN的缺点：

• 第一个，batch_size较小的时候，效果差，因为BN的假设是使用一个batch的均值和方差模拟整个全部数据的均值和方差，
• 第二个缺点就是 BN在RNN中效果比较差。这一点和第一点原因很类似，还有一点解释请看下一点，
• 如下图，batchsize为10，9个样本单词数为5，1个样本单词数为20，前5个单词的均值和方差可以用batchsize算出来，而第6-20个单词的均值和方差只能用第10个样本的均值和方差表示，所以BN在RNN的效果不好，

为什么使用LayNorm？

• 理解:为什么LayerNorm单独对一个样本的所有单词做缩放可以起到效果？
• 如下图，LN是对第10个样本的20个单词做均值和方差，而BN是对每一个样本的同一位次的单词做均值和方差，

• 把BN引申到RNN，BN是对【我】和【今】做均值和方差，【爱】和【天】做均值和方差，但是各个位次的单词没有相似的语义信息，所以在不能把BN引申到RNN，
• 而LN是对每一个样本的所有单词做均值和方差，每一个样本之间有相同的语义信息，

2.1.5 前馈神经网路

$Z_1$和$Z_2$经过Feed Forward之后，经过残差和Normalize就是前馈神经网络，

2.2 Decoder

Decoder结构图如下：

2.2.1 多头注意力机制

需要对当前单词和之后的单词做mask。

为什么需要做mask？