多头自注意力(Multi-Head Self-Attention)通过将输入序列的表示映射到不同的子空间、并行计算多组注意力权重、拼接结果后转换为最终输出,从而允许模型同时关注来自不同位置的多种信息。在代码层面上,这通常通过编程语言中的矩阵运算库实现,例如 Python 中的 TensorFlow 或 PyTorch。
多头自注意力的详细描述如下:
一、初始化参数
多头自注意力模块基于一组学习参数,这些参数包括三个权重矩阵(W^Q_h)、(W^K_h)和(W^V_h),对应于每个头的查询(Query)、键(Key)和值(Value),以及最后的线性变换权重矩阵(W^O)。每个权重矩阵的初始化通常采用特定的分布(如正态分布)或特定的初始化方法(如Xavier Initialization)。
二、分割头部
在执行自注意力之前,输入向量(通常是嵌入向量加上位置编码)被投影到多个不同的空间以产生每个头的Q、K和V表示。这是通过将输入矩阵与每个头的Q、K、V权重矩阵相乘实现的。每组头部的结果矩阵维度会降低,这样做是为了将计算代价保持在可管理的水平,并允许模型从每个头部中学习到不同的表示。
三、计算自注意力
为了计算自注意力,每个头的Q、K和V矩阵参与以下运算:
四、拼接和线性变换
每个头的输出将被拼接成一个单一的、更高维度的矩阵,之后通过一个线性层实现最后一次变换,这通过乘以之前初始化的权重矩阵(W^O)来完成。
五、实现示例
下面是一个使用PyTorch库的简单代码示例,实现多头自注意力:
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
class MultiHeadAttention(nn.Module):
def __init__(self, embed_size, heads):
super(MultiHeadAttention, self).__init__()
self.embed_size = embed_size
self.heads = heads
self.head_dim = embed_size // heads
assert (
self.head_dim * heads == embed_size
), "Embedding size needs to be divisible by heads"
self.values = nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)
self.keys = nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)
self.queries = nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)
self.fc_out = nn.Linear(heads * self.head_dim, embed_size)
def forward(self, values, keys, query, mask):
N = query.shape[0]
value_len, key_len, query_len = values.shape[1], keys.shape[1], query.shape[1]
# Split the embedding into self.heads different pieces
values = values.reshape(N, value_len, self.heads, self.head_dim)
keys = keys.reshape(N, key_len, self.heads, self.head_dim)
queries = query.reshape(N, query_len, self.heads, self.head_dim)
values = self.values(values)
keys = self.keys(keys)
queries = self.queries(queries)
# Multiply queries by keys and scale
energy = torch.einsum("nqhd,nkhd->nhqk", [queries, keys])
if mask is not None:
energy = energy.masked_fill(mask == 0, float("-1e20"))
attention = torch.softmax(energy / (self.embed_size (1/2)), dim=3)
# Apply attention to values
out = torch.einsum("nhql,nlhd->nqhd", [attention, values]).reshape(
N, query_len, self.heads * self.head_dim
)
# Apply final linear transformation
out = self.fc_out(out)
return out
此实例涵盖了核心多头自注意力流程,并演示了如何在现代深度学习框架中将其应用为层级结构。由于篇幅限制,这里的实现是一个简化版本,真实应用中可能会包含更多错误处理和优化代码。
Q:Transformer中的多头自注意力是如何在代码层面实现的?
A:多头自注意力是Transformer模型中的关键部分,它通过分别计算多个注意力头来捕捉不同的语义信息。下面是实现多头自注意力的简要步骤:
通过以上步骤,我们可以实现Transformer中的多头自注意力。具体的代码实现细节可以参考相关的深度学习库或教程。
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