Transformer基础

一、基础数学与机器学习概念

1、线性代数

• 矩阵乘法：Transformer中大量运用矩阵乘法进行数据的线性变换。例如，在多头注意力机制里，查询（Query）、键（Key）和值（Value）矩阵之间的乘法运算，用于计算注意力分数，进而确定不同位置元素之间的关联程度。
• 向量运算：向量的点积、加法等运算在计算注意力权重、特征表示融合等环节发挥着重要作用。

2、概率论与统计学

• 概率分布：理解softmax函数将原始分数转换为概率分布的原理，在Transformer中，softmax用于将注意力分数转换为权重，确保权重之和为1，从而实现对不同元素的加权求和。
• 均值、方差等统计量：在归一化操作（如Layer Normalization）中，需要计算数据的均值和方差，以对输入进行标准化处理，加快模型的训练速度和提高稳定性。

3、机器学习基础

• 神经网络基础：了解神经元、激活函数、损失函数、优化算法等基本概念。Transformer作为一种神经网络架构，同样需要通过激活函数引入非线性，使用损失函数衡量模型预测结果与真实标签之间的差异，并借助优化算法（如Adam）来更新模型参数。
• 过拟合与正则化：掌握防止过拟合的方法，如Dropout，在Transformer中也会使用Dropout来提高模型的泛化能力。

二、序列模型相关概念

1、序列数据处理

• 输入表示：理解如何将文本等序列数据转换为模型能够处理的数值表示，例如使用词嵌入（Word Embedding）将单词映射到低维向量空间，使得模型可以捕捉单词之间的语义关系。
• 上下文信息：认识到序列数据中前后元素之间存在依赖关系，需要模型能够捕捉这些上下文信息。传统的循环神经网络（RNN）及其变体（如LSTM、GRU）通过隐藏状态来传递上下文信息，而Transformer则采用了不同的机制。

2、注意力机制

• 基本原理：注意力机制允许模型在处理序列中的每个元素时，动态地关注序列中的其他相关元素。核心思想是通过计算查询（Query）与键（Key）之间的相似度，得到注意力权重，然后对值（Value）进行加权求和，从而实现对不同元素的选择性关注。
• Scaled Dot-Product Attention：Transformer中使用的注意力计算方式，通过对查询和键的点积结果进行缩放，再经过softmax函数得到注意力权重，最后与值进行加权求和。其公式为：
  $Attention(Q,K,V)=softmax(\frac{Q{K}^T}{\sqrt{d_k}})V$
  其中 $Q$ 是查询矩阵，$K$ 是键矩阵，$V$ 是值矩阵，$d_k$ 是键向量的维度。

三、Transformer架构相关知识

1、多头注意力机制（Multi-Head Attention）

• 原理：将输入的查询、键和值分别通过多个不同的线性投影，得到多个不同的子空间表示，在每个子空间中独立计算注意力，最后将各个子空间的注意力结果拼接并进行线性变换，得到最终的输出。这样可以让模型在不同的表示子空间中捕捉多样化的注意力信息。
• 作用：增强模型对不同特征和依赖关系的捕捉能力，提高模型的表达能力。

2、前馈神经网络（Feed-Forward Neural Network）

• 结构：通常由两个线性层和一个非线性激活函数（如ReLU）组成，对多头注意力机制的输出进行进一步的特征变换和处理。公式为：
  $FFN(x)=max(0,x{W}_1+b_1)W_2+b_2$
  其中 $x$ 是输入，$W_1$、$W_2$ 是权重矩阵，$b_1$、$b_2$ 是偏置向量。
• 作用：引入非线性，增加模型的表达能力，对注意力机制提取的特征进行进一步的抽象和转换。

3、编码器（Encoder）和解码器（Decoder）

• 编码器：由多个相同的编码层堆叠而成，每个编码层包含多头注意力机制和前馈神经网络。编码器的作用是对输入序列进行特征提取和编码，将输入序列转换为一系列的特征表示。
• 解码器：同样由多个相同的解码层堆叠而成，每个解码层包含多头自注意力机制、编码器-解码器注意力机制和前馈神经网络。解码器利用编码器的输出和自身的输入，逐步生成输出序列。

4、位置编码（Positional Encoding）

• 原因：由于Transformer本身不具备捕捉序列中元素位置信息的能力，而位置信息对于处理序列数据非常重要，因此需要引入位置编码来为输入序列中的每个位置添加位置信息。
• 方法：通常使用正弦和余弦函数来生成位置编码，将位置编码与词嵌入相加作为模型的输入，使得模型能够区分不同位置的元素。