• Transformer详解:各个特征维度分析推导


    谷歌在文章《Attention is all you need》中提出的transformer模型。如图主要架构:同样为encoder-decoder模式,左边部分是encoder,右边部分是decoder。
    TensorFlow代码:https://www.github.com/kyubyong/transformer

    用 sentencepiece 进行分词。

    Encoder 输入

    初始输入为待翻译语句的embedding矩阵,由于句子长度不一致,需要做统一长度处理,长度取maxlength1,不够长的句子padding 0值,句尾加上 </s>

    d = 512, [batchsize,maxlen1,d]

    考虑到词语间的相对位置信息,还要加上语句的position
    encoding,由函数形式直接求出。

    PE(pos,2i) = sin(pos/10002i/d)
    PE(pos,2i+1) = cos(pos/10002i/d)

    Padding的值不做position encoding。 [batchsize,maxlen1,d] ,最终:

    encoder input = position encoding + input embedding。
    encoder input : [batchsize,maxlen1,d]

    Encoder

    Encoder 由N = 6个相同的layer连接组成。每个layer中有两个sublayer,分别是multihead
    self-attention以及FFN。

    Q = K = V = input
    MultiHead(Q, K, V) = concat(head1, …, headh)Wo
    headi = Attention(QW­iQ,KW­ik,VW­iV)
    Attention(Q, K, V) = softmax(QKT/$$sqrt{d}$$) V



    softmax前要做key_mask,把pad 0 的地方赋值为-inf,softmax后权重做query mask,赋值0。

    h = 8
    W­iQ, W­ik, W­iV : [d, d/h]
    Q : [maxlen_q, d]
    K = V : [maxlen_k, d]
    Maxlen_q = maxlen_k so: Q = K = V : [maxlen1, d]
    QW­kQ,KW­ik,VW­iV : [maxlen1, d/h]
    headi : [maxlen1, d/h] * [d/h, maxlen1] * [maxlen1, d/h] = [maxlen1, d/h]
    Wo : [d, d]
    MultiHead(Q,K,V): [maxlen, d]

    Softmax([maxlen_q, maxlen_k]) 在最后一个维度即 maxlen_k 上做 softmax
    position-wise是因为处理的attention输出是某一个位置i的attention输出。

    FFN(x) = ReLU ( xW1 + b1 ) * W2 + b2
    ReLU(x) = max( 0, x )
    dff = 4 * d = 2048
    W1 : [d, dff]
    W2 : [dff, d]

    流程:

    Input -> dropout ->
    (
    multihead self-attention -> dropout -> residual connection -> LN ->
    FFN-> dropout -> residual connection -> LN ->
    ) * 6
    -> memory [batchsize,maxlen,d]

    代码中在multihead attention中对score做dropout,FFN后没有dropout,但文章说每个sublayer的output都有一个dropout。

    大专栏  Transformer详解:各个特征维度分析推导"#Decoder-输入" class="headerlink" title="Decoder 输入">Decoder 输入

    训练

    目标句子首尾分别加上 <s> , </s>

    Decoder input = Output embedding + position encoding
    Decoder input : [batchsize,maxlen2,d]

    预测

    初始向量为<s>对应embedding,之后将前一步的输出拼接到当前的所有预测构成当前的decoder输入。

    Decoder

    Decoder由N = 6 个相同的layer组成,每个layer中有三个sublayer,分别是multihead self-attention, mutihead attention以及FFN。

    decoder input -> dropout ->
    (
       Masked multihead self-attention(dec, dec, dec) = dec-> dropout ->
       multihead attention(dec, memory, memory) -> dropout -> residual connection
       -> LN -> FFN -> dropout -> residual connection -> LN ->
    ) * 6
    -> dec -> linear -> softmax

    Self-attention 的mask为一个和dec相同维度的上三角全为-inf的矩阵。

    Linear( x ) = xW
    Dec : [batchsize,maxlen2,d]
    W : [d, vocabsize]

    W为词汇表embedding矩阵的转置, 输入输出的词汇表embedding矩阵为W。即三个参数共享。

    Linear( x ) : [batchsize,maxlen2,vocabsize]

    Softmax函数:

    $pleft( k|x right)=frac{exp({{z}_{k}})}{sumnolimits_{i=1}^{K}{exp ({{z}_{i}})}}$
    其中zi一般叫做 logits,即未被归一化的对数概率。

    损失函数

    损失函数:cross entropy。用p代表predicted probability,用q代表groundtruth。即:

    $cross_entropy_loss=sumlimits_{k=1}^{K}{qleft( k|xright)log (pleft( k|x right))}$

    groundtruth为one-hot,即每个样本只有惟一的类别,$q(k)={{delta}_{k,y}}$,y是真实类别。

    ${{delta }_{k,y}}text{=}left{begin{matrix} 1,k=y ,kne y end{matrix} right.$

    对目标句子onehot 做labelmsmooth用$tilde{q}(k|x)$代替$q(k|x)$。(为了正则化,防止过拟合)

    $tilde{q}(k|x)=(1-varepsilon ){{delta }_{k,y}}+varepsilon u(k)$

    可以理解为,对于$q(k)={{delta}_{k,y}}$函数分布的真实标签,将它变成以如下方式获得:首先从标注的真实标签的$delta$分布中取定,然后以一定的概率$varepsilon$,将其替换为在$u(k)$分布中的随机变量。$u(k)$为均匀分布,即$u(k)=1/K$

    优化方法

    Adam优化器:

    学习率使用warm up learning rate:

    learningrate = dmodel-0.5 * min ( step_num-0.5, step_num * warmup_steps-1.5 )
    warmup_steps :4000
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