【NLP】Day 19: 注意！謝謝你的注意！Transformer （上）

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如果我能看得更遠，那是因為站在巨人的肩膀上。
牛頓

經過了前幾天的旅程，相信大家對於運用在自然語言處理的神經網路，應該已經有了一定程度的認識。神經網路是深度學習的起點，我們一路從機器學習一直到現在的深度學習，其實都依循著一定的脈絡在往前走。不知道大家是否還記得我們在旅程一開始的時候曾經說過，為了要讓機器學習模型理解文字，首要工作是要將文字轉換成數字，因此發展出了許多如詞頻、TF-IDF等以詞為模型理解語言的最小單位的方式，接著以詞頻為基礎，將語言理解成具有統計概念的分布模型，因此這樣的模型被稱為語言模型，接著將這些轉成數值的文字資料放進傳統機器學習模型。後來，人工智慧學家發現，比起讓模型從詞彙的角度出發，讓模型可以理解文字、句子、甚至是文章上下文之間的連續關係，其實應用上可以更為廣泛。

就跟我們人有著不同專長一樣，不同的模型也擅長處理不同的資料。當模型處理具有序列關係的資料時，這種sequence model就是最好的選擇，也就是說，我們前幾天所說到的模型，RNN、LSTM、GRU等，都是sequence model的一種。

今天要介紹的，也是一種sequence model，稱為Transformer。今天這篇文將會有很大一部分是來自於 The Illustrated Transformer這篇文章，若各位想拜讀原文，可以毫不猶豫地點進去這篇文章喔！

自然語言處理的變形金剛：Transformer

如果我們將模型視作一個黑盒子，那首先要先釐清，輸入模型的資料型態會是一個句子，輸出也會是一個句子（畢竟是sequence model，輸入及輸出也會是 “sequence”），而在這個模型內部，是由一長串的編碼器（encoder）跟解碼器（decoder）所組成。我們可以參考以下示意圖：

在圖中我們可以看到，輸入及輸出之間是由一串的編碼器和解碼器所組成。雖然在原文中的圖也是用各六個編碼及解碼器，但事實上跟6這個數字一點關係都沒有。 畢竟不是每個人都是諫山創一樣對數字有執著

首先我們先來將注意力放在編碼器（Pun intended！），編碼器的構造又是由 自注意力機制（self-attention mechanism）以及一組前饋神經網路（feed-forward neural network） 所組成。另外在解碼器中，除了自注意力機制以及前饋神經網路之外，也多了編解碼注意力機制（encoder-decoder attention），前饋神經網路在我的 神經網路也會神機錯亂？不，只會精神錯亂…深度學習：前饋神經網路 這篇文章中已經提過，想必大家應該都很清楚了（吧？）（嗎？）所以今天會將主力放在解釋何謂自注意力機制。

自注意力機制（self-attention mechanism）

自注意力機制的要點在於，深度學習模型可以判斷句子中某個字與句中其他字的關聯性大小，比如說，句中某個字的指涉對象是同一句中的哪個字。這樣說或許有點抽象，什麼指涉，什麼關聯性的吊書袋幹嘛？其實若用原文的舉例來說的話：

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"The animal didn't cross the street because it was too tired."

在這句話中，it的指涉對象就是animal，也就是說，整句話之中，it跟animal的關係最接近，所以模型在進行自注意力機制的時候，就會給animal比較高的權重。這個運作方式就像是先前在圓圓圈圈圓圓～深度學習：循環神經網路 RNN之中所說，RNN透過隱藏層之間的資料傳遞（也就是RNN的記憶能力）來了解當前處理的字，與先前處理過的字，兩者之間的關係。

如何計算的呢？

  1. 步驟一：從編碼器輸入層中（在這裡則是詞嵌入層）中計算出三個向量，分別為key vector、query vector以及value vector。這三個向量分別乘上權重https://chart.googleapis.com/chart?cht=tx&chl=W%5EQ、https://chart.googleapis.com/chart?cht=tx&chl=W%5EK 以及 https://chart.googleapis.com/chart?cht=tx&chl=W%5EV 之後，就可以得到這個字在句子中的投射（projection），也就是用比較短的向量來代表一個字在一個句子之中的「定位」（我的理解，若有錯請指出）。

  1. 步驟二：在這裡要做的是，要計算對當位置輸入字詞來說，其他字的「重要程度」。作法則是將計算所得的key vector，與自己還有其他字詞的query vector相乘（也就是內積），即可獲得前述所謂「重要程度」的分數。

  1. 步驟三：再來就是除以8，接著把他丟入softmax激勵函數。之所以除以8的原因只是因為這是64的平方根，也就是key vector維度的平方根，這可以幫助在梯度下降時穩定找到最佳解。我們在這裡最終會獲得[0, 1]之間的數字。

  1. 步驟四：最後就是相乘再相加。
    • 相乘：將Softmax所得的數值，乘以value vector。這裡的作用是，將重要的字保留下來，並將不重要的字過濾掉。（因為不重要的字會乘上一個超小的數值，就可以把他的重要性降低了）。
    • 相加：將前面計算的數值相加，就可以得到在這個「位置」的自注意層輸出了。

是不是已經腦洞大開了呢！但這還只是single-head attention，在原論文 Attention Is All You Need中其實又再針對這個概念進行了改良 套句高中數學老師說的，是想逼死誰？ ，加入了multi-head attention，而這可以更準確地判斷句中不同位置的字的相對重要程度，不過我們明天再來詳細介紹是怎麼回事，還有後續的decoder的運作方式；另外，朋友們也可以想想看，為什麼在文中，我只要寫到「位置」，我都會特別加上引號。不過我們在這邊先休息一下，明天進入Transformer 下篇！