Transformer算法原理与计算流程解析

引言

在深度学习领域，Transformer模型以其独特的优势改变了自然语言处理（NLP）的格局。本文将基于一段讲解视频的字幕内容，深入探讨Transformer的算法原理及其计算流程。

一、理解Transformer架构

深度学习模型概览

相似性：Transformer与CNN或RNN一样，都是深度学习模型的一部分。
复杂结构：可以将其视为一个复杂的神经网络，帮助我们快速建立对Transformer的认知。

输入输出机制

输入端：包括待翻译的英文数据和中文的翻译标注数据。
输出端：预测的翻译结果会从模型右上方的位置输出。

例如，当输入"Are you OK?"时，它会从下方左侧位置进入模型；而对应的中文标注"你好吗？"则从右侧位置输入。模型最终的翻译结果会显示在右上方。

二、词向量转换过程

词汇到向量

转换方式：单词序列会被转换为单词向量的序列。假设每个单词用4维向量表示，则四个词的句子"Are you OK?"会被转换成4*4的词向量矩阵。
中文处理：同样地，中文标注也会被转换为相应的词向量矩阵，如"你/好吗"可能变成3*4的矩阵。

实例说明

以"Are you OK?"为例，其位置编码矩阵包含4行（对应4个单词），每行有4列（对应4个维度）。通过特定公式计算出的位置编码值，将会直接加到原始词向量矩阵中，使数据“附加”了位置信息。

位置编码的重要性

位置编码的目的是将位置信息“附加”到原始的信息上。如果将未经位置编码的矩阵直接输入至模型，模型是感受不到不同词语之间的顺序的，即可能会把"Are you OK?"误读为"you are OK?"或"OK? you are"等等。因此，位置编码确保了模型能正确理解句子中的词序。

公式解释

位置编码会用正弦函数和余弦函数的计算来实现。具体公式如下：
$PE(pos, 2i) = \sin\left(\frac{pos}{10000^{2i/d}}\right)$
$PE(pos, 2i+1) = \cos\left(\frac{pos}{10000^{2i/d}}\right)$
其中，pos表示序列中的位置，比如"Are you OK?"中的4个单词的位置分别对应0、1、2、3；d表示总的维度数。

三、编码器与解码器的工作原理

编码器操作

自注意力机制：基于多头自注意力机制和前馈神经网络，对输入的英文数据进行编码。
特征变换：利用Q、K、V三个线性层对输入数据进行特征变换，并采用Scaled Dot Product Attention方法结合这些变换后的特征。

解码器操作

掩码自注意力机制：首先对自身进行注意力编码，然后再与经过编码的英文数据一起进入第二组注意力机制层和前馈神经网络，完成解码任务。

多组编码器和解码器

图中的"NX"表示有多组编码器和解码器串联堆叠的作用，使得模型能够更深层次地捕捉输入数据的特征和上下文关系。

四、多头自注意力机制详解

核心概念

多头设计：即同时通过多个“自注意力机制”进行特征提取，图中不同深度的颜色代表了多头的数量。
组合输出：完成多头计算后，再使用一个线性层组合所有“自注意力机制”的计算结果并输出。

计算细节

多头自注意力机制英文是Multi Head Self Attention，是Transformer最核心的部分。其中，“自注意力机制”会分别使用Q、K、V三个线性层(Linear)对输入数据进行特征变换，并使用Scaled Dot Product Attention的计算方法将特征变换后的Q、K、V进行结合。多头的概念意味着同时通过多个自注意力机制进行特征提取，最后再使用一个线性层组合多头的结果。