Skip to content

M
mtbookv2
Commit f1e66dc5 by 曹润柘
Options

合并分支 'master' 到 'caorunzhe' 

Master

查看合并请求 !198
parents 778faa41 dd485ec3
正在显示 包含 104 行增加 和 92 行删除
Chapter10/chapter10.tex
This source diff could not be displayed because it is too large. You can view the blob instead.
Chapter12/Figures/figure-a-combination-of-position-encoding-and-word-encoding.tex
...@@ -3,27 +3,27 @@ ...@@ -3,27 +3,27 @@
\begin{scope} \begin{scope}
\tikzstyle{rnode} = [draw,minimum width=3.5em,minimum height=1.2em] \tikzstyle{rnode} = [draw,minimum width=3.5em,minimum height=1.2em]
\node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e1) at (0,0) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{e}}(\textrm{“沈阳”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e1) at (0,0) {\scriptsize{$e(\textrm{沈阳})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e2) at ([xshift=1em]e1.south east) {\scriptsize{$\vectorn{{\emph{e}}}(\textrm{“到”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e2) at ([xshift=1em]e1.south east) {\scriptsize{$e(\textrm{到})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e3) at ([xshift=1em]e2.south east) {\scriptsize{$\vectorn{{\emph{e}}}(\textrm{“广州”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e3) at ([xshift=1em]e2.south east) {\scriptsize{$e(\textrm{广州})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e4) at ([xshift=1em]e3.south east) {\scriptsize{$\vectorn{{\emph{e}}}(\textrm{“的”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e4) at ([xshift=1em]e3.south east) {\scriptsize{$e(\textrm{的})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e5) at ([xshift=1em]e4.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{e}}(\textrm{“机票”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=red!20!white] (e5) at ([xshift=1em]e4.south east) {\scriptsize{$e(\textrm{机票})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h1) at ([yshift=1.5em]e1.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“沈阳”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h1) at ([yshift=1.5em]e1.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{沈阳})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h2) at ([yshift=1.5em]e2.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“到”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h2) at ([yshift=1.5em]e2.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{到})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h3) at ([yshift=1.5em]e3.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“广州”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h3) at ([yshift=1.5em]e3.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{广州})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h4) at ([yshift=1.5em]e4.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“的”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h4) at ([yshift=1.5em]e4.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{的})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h5) at ([yshift=1.5em]e5.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“机票”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (h5) at ([yshift=1.5em]e5.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{机票})$}};
\foreach \x in {1,2,3,4,5}{ \foreach \x in {1,2,3,4,5}{
\node [anchor=north] (plus\x) at ([yshift=-0em]e\x.south) {\scriptsize{$\mathbf{\oplus}$}}; \node [anchor=north] (plus\x) at ([yshift=-0em]e\x.south) {\scriptsize{$\mathbf{\oplus}$}};
} }
\node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos1) at ([yshift=-1.1em]e1.south) {\scriptsize{$\vectorn{{\emph{PE}}}(1)$}}; \node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos1) at ([yshift=-1.1em]e1.south) {\scriptsize{$\textrm{PE}(1)$}};
\node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos2) at ([yshift=-1.1em]e2.south) {\scriptsize{$ \vectorn{{\emph{PE}}}(2)$}}; \node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos2) at ([yshift=-1.1em]e2.south) {\scriptsize{$\textrm{PE}(2)$}};
\node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos3) at ([yshift=-1.1em]e3.south) {\scriptsize{$ \vectorn{{\emph{PE}}}(3)$}}; \node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos3) at ([yshift=-1.1em]e3.south) {\scriptsize{$\textrm{PE}(3)$}};
\node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos4) at ([yshift=-1.1em]e4.south) {\scriptsize{$ \vectorn{{\emph{PE}}}(4)$}}; \node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos4) at ([yshift=-1.1em]e4.south) {\scriptsize{$\textrm{PE}(4)$}};
\node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos5) at ([yshift=-1.1em]e5.south) {\scriptsize{$ \vectorn{{\emph{PE}}}(5)$}}; \node [rnode,anchor=north,fill=yellow!20!white] (pos5) at ([yshift=-1.1em]e5.south) {\scriptsize{$\textrm{PE}(5)$}};
\foreach \x in {1,2,3,4,5}{ \foreach \x in {1,2,3,4,5}{
......
Chapter12/Figures/figure-calculation-of-context-vector-c.tex
...@@ -4,11 +4,11 @@ ...@@ -4,11 +4,11 @@
\tikzstyle{rnode} = [draw,minimum width=3.5em,minimum height=1.2em] \tikzstyle{rnode} = [draw,minimum width=3.5em,minimum height=1.2em]
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key1) at (0,0) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``沈阳''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key1) at (0,0) {\scriptsize{$h(\textrm{沈阳})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key2) at ([xshift=1em]key1.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``到''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key2) at ([xshift=1em]key1.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{到})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key3) at ([xshift=1em]key2.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``广州''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key3) at ([xshift=1em]key2.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{广州})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key4) at ([xshift=2em]key3.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``机票''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key4) at ([xshift=2em]key3.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{机票})$}};
\node [rnode,anchor=south west] (key5) at ([xshift=1em]key4.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``机票''})$}}; \node [rnode,anchor=south west] (key5) at ([xshift=1em]key4.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{机票})$}};
\node [anchor=west] (sep1) at ([xshift=0.3em]key3.east) {\scriptsize{$\textbf{...}$}}; \node [anchor=west] (sep1) at ([xshift=0.3em]key3.east) {\scriptsize{$\textbf{...}$}};
...@@ -24,11 +24,11 @@ ...@@ -24,11 +24,11 @@
\vspace{0.5em} \vspace{0.5em}
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key6) at ([yshift=2em]key1.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``广州''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key6) at ([yshift=2em]key1.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{广州})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key7) at ([yshift=2em]key2.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``到''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key7) at ([yshift=2em]key2.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{到})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key8) at ([yshift=2em]key3.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``沈阳''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key8) at ([yshift=2em]key3.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{沈阳})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key9) at ([yshift=2em]key4.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``机票''})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key9) at ([yshift=2em]key4.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{机票})$}};
\node [rnode,anchor=south west] (key10) at ([yshift=2em]key5.north west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{``机票''})$}}; \node [rnode,anchor=south west] (key10) at ([yshift=2em]key5.north west) {\scriptsize{$h(\textrm{``机票''})$}};
\node [anchor=west] (sep1) at ([xshift=0.3em]key8.east) {\scriptsize{$\textbf{...}$}}; \node [anchor=west] (sep1) at ([xshift=0.3em]key8.east) {\scriptsize{$\textbf{...}$}};
...@@ -49,7 +49,7 @@ ...@@ -49,7 +49,7 @@
\vspace{-1.0em} \vspace{-1.0em}
\footnotesize{ \footnotesize{
\begin{eqnarray} \begin{eqnarray}
\tilde{\mathbf{\emph{h}}} (\textrm{''机票''}) & = & 0.2 \times \vectorn{\emph{h}}(\textrm{``沈阳''}) + 0.3 \times \vectorn{\emph{h}}(\textrm{``到''}) + \nonumber \\ \tilde{\mathbf{h}} (\textrm{机票}) & = & 0.2 \times h(\textrm{沈阳}) + 0.3 \times h(\textrm{到}) + \nonumber \\
& & 0.1 \times \vectorn{\emph{h}}(\textrm{``广州''}) + ... + 0.3 \times \vectorn{\emph{h}}(\textrm{``机票''}) \nonumber & & 0.1 \times h(\textrm{广州}) + ... + 0.3 \times h(\textrm{机票}) \nonumber
\end{eqnarray} \end{eqnarray}
} }
\ No newline at end of file
Chapter12/Figures/figure-example-of-self-attention-mechanism-calculation.tex
...@@ -7,13 +7,13 @@ ...@@ -7,13 +7,13 @@
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key11) at (0,0) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“你”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key11) at (0,0) {\scriptsize{$h(\textrm{你})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key12) at ([xshift=0.8em]key11.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“什么”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key12) at ([xshift=0.8em]key11.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{什么})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key13) at ([xshift=0.8em]key12.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“也”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key13) at ([xshift=0.8em]key12.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{也})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key14) at ([xshift=0.8em]key13.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“没”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key14) at ([xshift=0.8em]key13.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{没})$}};
\node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key15) at ([xshift=0.8em]key14.south east) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“学”})$}}; \node [rnode,anchor=south west,fill=green!20!white] (key15) at ([xshift=0.8em]key14.south east) {\scriptsize{$h(\textrm{学})$}};
\node [rnode,anchor=east] (query1) at ([xshift=-1em]key11.west) {\scriptsize{$\vectorn{\emph{h}}(\textrm{“你”})$}}; \node [rnode,anchor=east] (query1) at ([xshift=-1em]key11.west) {\scriptsize{$h(\textrm{你})$}};
\draw [->] ([yshift=1pt,xshift=4pt]query1.north) .. controls +(90:0.6em) and +(90:0.6em) .. ([yshift=1pt]key11.north); \draw [->] ([yshift=1pt,xshift=4pt]query1.north) .. controls +(90:0.6em) and +(90:0.6em) .. ([yshift=1pt]key11.north);
\draw [->] ([yshift=1pt,xshift=0pt]query1.north) .. controls +(90:1.0em) and +(90:1.0em) .. ([yshift=1pt]key12.north); \draw [->] ([yshift=1pt,xshift=0pt]query1.north) .. controls +(90:1.0em) and +(90:1.0em) .. ([yshift=1pt]key12.north);
......
Chapter12/chapter12.tex
...@@ -69,26 +69,32 @@ ...@@ -69,26 +69,32 @@
\end{figure} \end{figure}
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
\parinterval 举个例子，如图\ref{fig:12-38}所示，一个汉语句子包含5个词。这里，用$\vectorn{\emph{h}}$(“你”)表示“你”当前的表示结果。如果把“你”看作目标，这时$\mathrm{query}$就是$\vectorn{\emph{h}}$(“你”)，$\mathrm{key}$和$\mathrm{value}$是图中所有位置的表示，即：{$\vectorn{\emph{h}}$(“你”)、$\vectorn{\emph{h}}$(“什么”)、$\vectorn{\emph{h}}$(“也”)、$\vectorn{\emph{h}}$(“没”)、$\vectorn{\emph{h}}$(“ 学”)}。在自注意力模型中，首先计算$\mathrm{query}$和$\mathrm{key}$的相关度，这里用$\alpha_i$表示$\vectorn{\emph{h}}$(“你”)和位置$i$的表示之间的相关性。然后，把$\alpha_i$作为权重，对不同位置上的$\mathrm{value}$进行加权求和。最终，得到新的表示结果$\tilde{\vectorn{\emph{h}}}$ (“你” )： \parinterval 举个例子，如图\ref{fig:12-38}所示，一个汉语句子包含5个词。这里，用$h$(“你”)表示“你”当前的表示结果，其中$h(\cdot)$是一个函数，用于返回输入单词所在位置对应的表示结果（向量）。如果把“你”看作目标，这时$\mathrm{query}$ 就是$h$(你)，$\mathrm{key}$和$\mathrm{value}$是图中所有位置的表示，即：{$h$(你)、$h$(什么)、$h$(也)、$h$(没)、$h$(学)}。在自注意力模型中，首先计算$\mathrm{query}$ 和$\mathrm{key}$的相关度，这里用$\alpha_i$表示$h$(你)和位置$i$的表示之间的相关性。然后，把$\alpha_i$作为权重，对不同位置上的$\mathrm{value}$进行加权求和。最终，得到新的表示结果$\tilde{h}$ (“你” )：
\begin{eqnarray} \begin{eqnarray}
\tilde{\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“你”} ) = \alpha_1 {\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“你”} ) \tilde{h} (\textrm{你} ) & = & \alpha_1 {h} (\textrm{你} ) + \alpha_2 {h} (\textrm{什么}) + \alpha_3 {h} (\textrm{也} ) + \nonumber \\
+ \alpha_2 {\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“什么 ”}) & & \alpha_4 {h} (\textrm{没} ) +\alpha_5 {h} (\textrm{学} )
+ \alpha_3 {\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“也”} )
+ \alpha_4 {\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“没”} )
+\alpha_5 {\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“学”} ) \nonumber \\
\label{eq:12-42} \label{eq:12-42}
\end{eqnarray} \end{eqnarray}
\parinterval 同理，也可以用同样的方法处理这个句子中的其他单词。可以看出，在注意力机制中，并不是使用类似于循环神经网络的记忆能力去访问历史信息。序列中所有单词之间的信息都是通过同一种操作（$\mathrm{query}$和$\mathrm{key}$的相关度）进行处理。这样，表示结果$\tilde{\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“你”})$在包含“你”这个单词的信息的同时，也包含了序列中其他词的信息。也就是，序列中每一个位置的表示结果中，都包含了其他位置的信息。从这个角度说，$\tilde{\vectorn{\emph{h}}} (\textrm{“你”})$已经不再是单词“你”自身的表示结果，而是一种在单词“你”的位置上的全局信息的表示。 \parinterval 同理，也可以用同样的方法处理这个句子中的其他单词。可以看出，在注意力机制中，并不是使用类似于循环神经网络的记忆能力去访问历史信息。序列中所有单词之间的信息都是通过同一种操作（$\mathrm{query}$和$\mathrm{key}$的相关度）进行处理。这样，表示结果$\tilde{h} (\textrm{你})$在包含“你”这个单词的信息的同时，也包含了序列中其他词的信息。也就是，序列中每一个位置的表示结果中，都包含了其他位置的信息。从这个角度说，$\tilde{h} (\textrm{你})$已经不再是单词“你”自身的表示结果，而是一种在单词“你”的位置上的全局信息的表示。
\parinterval 通常，也把生成\{ $\tilde{\vectorn{\emph{h}}}(\vectorn{\emph{w}}_i)$ \}的过程称为{\small\sffamily\bfseries{特征提取}}\index{特征提取}，而实现这个过程的模型被称为特征提取器。循环神经网络、自注意力模型都是典型的特征提取器。特征提取是神经机器翻译系统的关键步骤，在随后的内容中可以看到自注意力模型是一个非常适合机器翻译任务的特征提取器。 \parinterval 通常，也把生成\{ $\tilde{h}(\vectorn{\emph{w}}_i)$ \}的过程称为{\small\sffamily\bfseries{特征提取}}\index{特征提取}，而实现这个过程的模型被称为特征提取器。循环神经网络、自注意力模型都是典型的特征提取器。特征提取是神经机器翻译系统的关键步骤，在随后的内容中可以看到自注意力模型是一个非常适合机器翻译任务的特征提取器。
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SECTION 12.2 % NEW SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\sectionnewpage \sectionnewpage
\section{Transformer} \section{Transformer架构}
\parinterval 本小节将以Transformer为例，详细地展示自注意力机制在神经机器翻译中的应用，以及Transformer的相关技术。首先回顾一下{\chapterten}介绍的循环神经网络，虽然它很强大，但是也存在一些弊端。其中比较突出的问题是，循环神经网络每个循环单元都有向前依赖性，也就是当前时间步的处理依赖前一时间步处理的结果。这个性质可以使序列的“历史”信息不断被传递，但是也造成模型运行效率的下降。特别是对于自然语言处理任务，序列往往较长，无论是传统的RNN结构，还是更为复杂的LSTM结构，都需要很多次循环单元的处理才能够捕捉到单词之间的长距离依赖。由于需要多个循环单元的处理，距离较远的两个单词之间的信息传递变得很复杂。
本节会对Transformer模型由来以及总体架构进行介绍。
%----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION
%----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{为什么需要Transformer}
\parinterval 首先回顾一下{\chapterten}介绍的循环神经网络，虽然它很强大，但是也存在一些弊端。其中比较突出的问题是，循环神经网络每个循环单元都有向前依赖性，也就是当前时间步的处理依赖前一时间步处理的结果。这个性质可以使序列的“历史”信息不断被传递，但是也造成模型运行效率的下降。特别是对于自然语言处理任务，序列往往较长，无论是传统的RNN结构，还是更为复杂的LSTM结构，都需要很多次循环单元的处理才能够捕捉到单词之间的长距离依赖。由于需要多个循环单元的处理，距离较远的两个单词之间的信息传递变得很复杂。
\parinterval 针对这些问题，谷歌的研究人员提出了一种全新的模型$\ \dash\ $Transformer\upcite{NIPS2017_7181}。与循环神经网络等传统模型不同，Transformer模型仅仅使用一种被称作自注意力机制的方法和标准的前馈神经网络，完全不依赖任何循环单元或者卷积操作。自注意力机制的优点在于可以直接对序列中任意两个单元之间的关系进行建模，这使得长距离依赖等问题可以更好地被求解。此外，自注意力机制非常适合在GPU 上进行并行化，因此模型训练的速度更快。表\ref{tab:12-11}对比了RNN、CNN、Transformer三种模型的时间复杂度。 \parinterval 针对这些问题，谷歌的研究人员提出了一种全新的模型$\ \dash\ $Transformer\upcite{NIPS2017_7181}。与循环神经网络等传统模型不同，Transformer模型仅仅使用一种被称作自注意力机制的方法和标准的前馈神经网络，完全不依赖任何循环单元或者卷积操作。自注意力机制的优点在于可以直接对序列中任意两个单元之间的关系进行建模，这使得长距离依赖等问题可以更好地被求解。此外，自注意力机制非常适合在GPU 上进行并行化，因此模型训练的速度更快。表\ref{tab:12-11}对比了RNN、CNN、Transformer三种模型的时间复杂度。
...@@ -128,10 +134,10 @@ ...@@ -128,10 +134,10 @@
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.1 % NEW SUB-SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{Transformer架构} \subsection{总体结构}
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
\begin{figure}[htp] \begin{figure}[htp]
\centering \centering
...@@ -175,12 +181,12 @@ ...@@ -175,12 +181,12 @@
\parinterval 了解到这里，可能大家还有很多疑惑，比如，什么是位置编码？Transformer的自注意力机制具体是怎么进行计算的，其结构是怎样的？Add\& LayerNorm又是什么？等等。下面就一一展开介绍。 \parinterval 了解到这里，可能大家还有很多疑惑，比如，什么是位置编码？Transformer的自注意力机制具体是怎么进行计算的，其结构是怎样的？Add\& LayerNorm又是什么？等等。下面就一一展开介绍。
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.2 % NEW SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{位置编码} \section{位置编码}
\parinterval 在使用循环神经网络进行序列的信息提取时，每个时刻的运算都要依赖前一个时刻的输出，具有一定的时序性，这也与语言具有顺序的特点相契合。而采用自注意力机制对源语言和目标语言序列进行处理时，直接对当前位置和序列中的任意位置进行建模，忽略了词之间的顺序关系，例如图\ref{fig:12-41}中两个语义不同的句子，通过自注意力得到的表示$\tilde{\vectorn{\emph{h}}}$(“机票”)却是相同的。 \parinterval 在使用循环神经网络进行序列的信息提取时，每个时刻的运算都要依赖前一个时刻的输出，具有一定的时序性，这也与语言具有顺序的特点相契合。而采用自注意力机制对源语言和目标语言序列进行处理时，直接对当前位置和序列中的任意位置进行建模，忽略了词之间的顺序关系，例如图\ref{fig:12-41}中两个语义不同的句子，通过自注意力得到的表示$\tilde{h}$(“机票”)却是相同的。
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
\begin{figure}[htp] \begin{figure}[htp]
...@@ -242,10 +248,12 @@ ...@@ -242,10 +248,12 @@
\noindent 即对于任意固定的偏移量$k$，$\textrm{PE}(pos+k)$能被表示成$\textrm{PE}(pos)$的线性函数，换句话说，位置编码可以表示词之间的距离。在实践中发现，位置编码对Transformer系统的性能有很大影响。对其进行改进也会带来进一步的性能提升\upcite{Shaw2018SelfAttentionWR}。 \noindent 即对于任意固定的偏移量$k$，$\textrm{PE}(pos+k)$能被表示成$\textrm{PE}(pos)$的线性函数，换句话说，位置编码可以表示词之间的距离。在实践中发现，位置编码对Transformer系统的性能有很大影响。对其进行改进也会带来进一步的性能提升\upcite{Shaw2018SelfAttentionWR}。
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.3 % NEW SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{基于点乘的注意力机制} \section{基于点乘的多头注意力机制}
\parinterval Transformer模型摒弃了循环单元和卷积等结构，完全基于注意力机制来构造模型，其中包含着大量的注意力计算。比如，可以通过自注意力机制对源语言和目标语言序列进行信息提取，并通过编码-解码注意力对双语句对之间的关系进行提取。图\ref{fig:12-44}中红色方框部分是Transformer中使用自注意力机制的模块。而这些模块都是由基于点乘的多头注意力机制实现的。
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
\begin{figure}[htp] \begin{figure}[htp]
...@@ -256,7 +264,11 @@ ...@@ -256,7 +264,11 @@
\end{figure} \end{figure}
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
\parinterval Transformer模型摒弃了循环单元和卷积等结构，完全基于注意力机制来构造模型，其中包含着大量的注意力计算。比如，可以通过自注意力机制对源语言和目标语言序列进行信息提取，并通过编码-解码注意力对双语句对之间的关系进行提取。图\ref{fig:12-44}中红色方框部分是Transformer中使用自注意力机制的模块。 %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION
%----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{点乘注意力}
\parinterval 在\ref{sec:12.1.3}节中已经介绍，自注意力机制中至关重要的是获取相关性系数，也就是在融合不同位置的表示向量时各位置的权重。不同于\ref{sec:12.1.3}节介绍的注意力机制的相关性系数计算方式，Transformer模型采用了一种基于点乘的方法来计算相关性系数。这种方法也称为{\small\bfnew{点乘注意力}}\index{点乘注意力}（Scaled Dot-Product Attention）\index{Scaled Dot-Product Attention}机制。它的运算并行度高，同时并不消耗太多的存储空间。 \parinterval 在\ref{sec:12.1.3}节中已经介绍，自注意力机制中至关重要的是获取相关性系数，也就是在融合不同位置的表示向量时各位置的权重。不同于\ref{sec:12.1.3}节介绍的注意力机制的相关性系数计算方式，Transformer模型采用了一种基于点乘的方法来计算相关性系数。这种方法也称为{\small\bfnew{点乘注意力}}\index{点乘注意力}（Scaled Dot-Product Attention）\index{Scaled Dot-Product Attention}机制。它的运算并行度高，同时并不消耗太多的存储空间。
...@@ -297,34 +309,7 @@ ...@@ -297,34 +309,7 @@
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.4 % NEW SUB-SECTION
%----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{掩码操作}
\parinterval 在公式\ref{eq:12-47}中提到了Mask（掩码），它的目的是对向量中某些值进行掩盖，避免无关位置的数值对运算造成影响。Transformer中的Mask主要应用在注意力机制中的相关性系数计算，具体方式是在相关性系数矩阵上累加一个Mask矩阵。该矩阵在需要Mask的位置的值为负无穷-inf（具体实现时是一个非常小的数，比如-1e-9），其余位置为0，这样在进行了Softmax归一化操作之后，被掩码掉的位置计算得到的权重便近似为0，也就是说对无用信息分配的权重为0，从而避免了其对结果产生影响。Transformer包含两种Mask：
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item Padding Mask。在批量处理多个样本时（训练或解码），由于要对源语言和目标语言的输入进行批次化处理，而每个批次内序列的长度不一样，为了方便对批次内序列进行矩阵表示，需要进行对齐操作，即在较短的序列后面填充0来占位（padding操作）。而这些填充的位置没有意义，不参与注意力机制的计算，因此，需要进行Mask操作，屏蔽其影响。
\vspace{0.5em}
\item Future Mask。对于解码器来说，由于在预测的时候是自左向右进行的，即第$t$时刻解码器的输出只能依赖于$t$时刻之前的输出。且为了保证训练解码一致，避免在训练过程中观测到目标语端每个位置未来的信息，因此需要对未来信息进行屏蔽。具体的做法是：构造一个上三角值全为-inf的Mask矩阵，也就是说，在解码端计算中，在当前位置，通过Future Mask把序列之后的信息屏蔽掉了，避免了$t$时刻之后的位置对当前的计算产生影响。图\ref{fig:12-47}给出了一个具体的实例。
%----------------------------------------------
% 图3.10
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter12/Figures/figure-mask-instance-for-future-positions-in-transformer}
\caption{Transformer中对于未来位置进行的屏蔽的Mask实例}
\label{fig:12-47}
\end{figure}
%----------------------------------------------
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
%----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.5
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{多头注意力} \subsection{多头注意力}
...@@ -362,10 +347,37 @@ ...@@ -362,10 +347,37 @@
\parinterval 多头机制的好处是允许模型在不同的表示子空间里学习。在很多实验中发现，不同表示空间的头捕获的信息是不同的，比如，在使用Transformer处理自然语言时，有的头可以捕捉句法信息，有头可以捕捉词法信息。 \parinterval 多头机制的好处是允许模型在不同的表示子空间里学习。在很多实验中发现，不同表示空间的头捕获的信息是不同的，比如，在使用Transformer处理自然语言时，有的头可以捕捉句法信息，有头可以捕捉词法信息。
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.6 % NEW SUB-SECTION
%----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{掩码操作}
\parinterval 在公式\ref{eq:12-47}中提到了Mask（掩码），它的目的是对向量中某些值进行掩盖，避免无关位置的数值对运算造成影响。Transformer中的Mask主要应用在注意力机制中的相关性系数计算，具体方式是在相关性系数矩阵上累加一个Mask矩阵。该矩阵在需要Mask的位置的值为负无穷-inf（具体实现时是一个非常小的数，比如-1e-9），其余位置为0，这样在进行了Softmax归一化操作之后，被掩码掉的位置计算得到的权重便近似为0，也就是说对无用信息分配的权重为0，从而避免了其对结果产生影响。Transformer包含两种Mask：
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item Padding Mask。在批量处理多个样本时（训练或解码），由于要对源语言和目标语言的输入进行批次化处理，而每个批次内序列的长度不一样，为了方便对批次内序列进行矩阵表示，需要进行对齐操作，即在较短的序列后面填充0来占位（padding操作）。而这些填充的位置没有意义，不参与注意力机制的计算，因此，需要进行Mask操作，屏蔽其影响。
\vspace{0.5em}
\item Future Mask。对于解码器来说，由于在预测的时候是自左向右进行的，即第$t$时刻解码器的输出只能依赖于$t$时刻之前的输出。且为了保证训练解码一致，避免在训练过程中观测到目标语端每个位置未来的信息，因此需要对未来信息进行屏蔽。具体的做法是：构造一个上三角值全为-inf的Mask矩阵，也就是说，在解码端计算中，在当前位置，通过Future Mask把序列之后的信息屏蔽掉了，避免了$t$时刻之后的位置对当前的计算产生影响。图\ref{fig:12-47}给出了一个具体的实例。
%----------------------------------------------
% 图3.10
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter12/Figures/figure-mask-instance-for-future-positions-in-transformer}
\caption{Transformer中对于未来位置进行的屏蔽的Mask实例}
\label{fig:12-47}
\end{figure}
%----------------------------------------------
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
%----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{残差网络和层正则化} \section{残差网络和层正则化}
\parinterval Transformer编码器、解码器分别由多层网络组成（通常为6层），每层网络又包含多个子层（自注意力网络、前馈神经网络）。因此Transformer实际上是一个很深的网络结构。再加上前面介绍的点乘注意力机制，包含很多线性和非线性变换；另外，注意力函数Attention($\cdot$)的计算也涉及多层网络，整个网络的信息传递非常复杂。从反向传播的角度来看，每次回传的梯度都会经过若干步骤，容易产生梯度爆炸或者消失。 \parinterval Transformer编码器、解码器分别由多层网络组成（通常为6层），每层网络又包含多个子层（自注意力网络、前馈神经网络）。因此Transformer实际上是一个很深的网络结构。再加上前面介绍的点乘注意力机制，包含很多线性和非线性变换；另外，注意力函数Attention($\cdot$)的计算也涉及多层网络，整个网络的信息传递非常复杂。从反向传播的角度来看，每次回传的梯度都会经过若干步骤，容易产生梯度爆炸或者消失。
...@@ -417,10 +429,10 @@ x_{l+1} = x_l + \mathcal{F} (x_l) ...@@ -417,10 +429,10 @@ x_{l+1} = x_l + \mathcal{F} (x_l)
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.7 % NEW SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{前馈全连接网络子层} \section{前馈全连接网络子层}
\parinterval 在Transformer的结构中，每一个编码层或者解码层中都包含一个前馈神经网络，它在模型中的位置如图\ref{fig:12-52}中红色方框所示。 \parinterval 在Transformer的结构中，每一个编码层或者解码层中都包含一个前馈神经网络，它在模型中的位置如图\ref{fig:12-52}中红色方框所示。
...@@ -442,10 +454,10 @@ x_{l+1} = x_l + \mathcal{F} (x_l) ...@@ -442,10 +454,10 @@ x_{l+1} = x_l + \mathcal{F} (x_l)
\noindent 其中，$\vectorn{\emph{W}}_1$、$\vectorn{\emph{W}}_2$、$\vectorn{\emph{b}}_1$和$\vectorn{\emph{b}}_2$为模型的参数。通常情况下，前馈神经网络的隐层维度要比注意力部分的隐层维度大，而且研究人员发现这种设置对Transformer是至关重要的。 比如，注意力部分的隐层维度为512，前馈神经网络部分的隐层维度为2048。当然，继续增大前馈神经网络的隐层大小，比如设为4096，甚至8192，还可以带来性能的增益，但是前馈部分的存储消耗较大，需要更大规模GPU 设备的支持。因此在具体实现时，往往需要在翻译准确性和存储/速度之间找到一个平衡。 \noindent 其中，$\vectorn{\emph{W}}_1$、$\vectorn{\emph{W}}_2$、$\vectorn{\emph{b}}_1$和$\vectorn{\emph{b}}_2$为模型的参数。通常情况下，前馈神经网络的隐层维度要比注意力部分的隐层维度大，而且研究人员发现这种设置对Transformer是至关重要的。 比如，注意力部分的隐层维度为512，前馈神经网络部分的隐层维度为2048。当然，继续增大前馈神经网络的隐层大小，比如设为4096，甚至8192，还可以带来性能的增益，但是前馈部分的存储消耗较大，需要更大规模GPU 设备的支持。因此在具体实现时，往往需要在翻译准确性和存储/速度之间找到一个平衡。
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.8 % NEW SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{训练} \section{训练}
\parinterval 与前面介绍的神经机器翻译模型的训练一样，Transformer的训练流程为：首先对模型进行初始化，然后在编码器输入包含结束符的源语言单词序列。前面已经介绍过，解码端每个位置单词的预测都要依赖已经生成的序列。在解码端输入包含起始符号的目标语序列，通过起始符号预测目标语的第一个单词，用真实的目标语的第一个单词去预测第二个单词，以此类推，然后用真实的目标语序列和预测的结果比较，计算它的损失。Transformer使用了{\small\bfnew{交叉熵损失}}\index{交叉熵损失}（Cross Entropy Loss）\index{Cross Entropy Loss}函数，损失越小说明模型的预测越接近真实输出。然后利用反向传播来调整模型中的参数。由于Transformer 将任意时刻输入信息之间的距离拉近为1，摒弃了RNN中每一个时刻的计算都要基于前一时刻的计算这种具有时序性的训练方式，因此Transformer中训练的不同位置可以并行化训练，大大提高了训练效率。 \parinterval 与前面介绍的神经机器翻译模型的训练一样，Transformer的训练流程为：首先对模型进行初始化，然后在编码器输入包含结束符的源语言单词序列。前面已经介绍过，解码端每个位置单词的预测都要依赖已经生成的序列。在解码端输入包含起始符号的目标语序列，通过起始符号预测目标语的第一个单词，用真实的目标语的第一个单词去预测第二个单词，以此类推，然后用真实的目标语序列和预测的结果比较，计算它的损失。Transformer使用了{\small\bfnew{交叉熵损失}}\index{交叉熵损失}（Cross Entropy Loss）\index{Cross Entropy Loss}函数，损失越小说明模型的预测越接近真实输出。然后利用反向传播来调整模型中的参数。由于Transformer 将任意时刻输入信息之间的距离拉近为1，摒弃了RNN中每一个时刻的计算都要基于前一时刻的计算这种具有时序性的训练方式，因此Transformer中训练的不同位置可以并行化训练，大大提高了训练效率。
...@@ -534,10 +546,10 @@ Transformer Deep(48层) & 30.2 & 43.1 & 194$\times 10^{6}$ ...@@ -534,10 +546,10 @@ Transformer Deep(48层) & 30.2 & 43.1 & 194$\times 10^{6}$
%---------------------------------------------- %----------------------------------------------
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SUB-SECTION 12.2.9 % NEW SECTION
%---------------------------------------------------------------------------------------- %----------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{推断} \section{推断}
\parinterval Transformer解码器生成目标语的过程和前面介绍的循环网络翻译模型类似，都是从左往右生成，且下一个单词的预测依赖已经生成的上一个单词。其具体推断过程如图\ref{fig:12-56}所示，其中$\vectorn{\emph{C}}_i$是编码-解码注意力的结果，解码器首先根据“<eos>”和$\vectorn{\emph{C}}_1$生成第一个单词“how”，然后根据“how”和$\vectorn{\emph{C}}_2$生成第二个单词“are”，以此类推，当解码器生成“<eos>”时结束推断。 \parinterval Transformer解码器生成目标语的过程和前面介绍的循环网络翻译模型类似，都是从左往右生成，且下一个单词的预测依赖已经生成的上一个单词。其具体推断过程如图\ref{fig:12-56}所示，其中$\vectorn{\emph{C}}_i$是编码-解码注意力的结果，解码器首先根据“<eos>”和$\vectorn{\emph{C}}_1$生成第一个单词“how”，然后根据“how”和$\vectorn{\emph{C}}_2$生成第二个单词“are”，以此类推，当解码器生成“<eos>”时结束推断。
......
mt-book-xelatex.tex
...@@ -139,9 +139,8 @@ ...@@ -139,9 +139,8 @@
%\include{Chapter6/chapter6} %\include{Chapter6/chapter6}
%\include{Chapter7/chapter7} %\include{Chapter7/chapter7}
%\include{Chapter8/chapter8} %\include{Chapter8/chapter8}
%\include{Chapter9/chapter9}
\include{Chapter9/chapter9} \include{Chapter10/chapter10}
%\include{Chapter10/chapter10}
%\include{Chapter11/chapter11} %\include{Chapter11/chapter11}
%\include{Chapter12/chapter12} %\include{Chapter12/chapter12}
%\include{Chapter13/chapter13} %\include{Chapter13/chapter13}
......
Markdown 格式
0% 或
您添加了 0 人 到此讨论。请谨慎行事。
请先完成此评论的编辑！
请 注册 或者 后发表评论