一文详解Attention机制

Attention机制

我们知道Seq2Seq模型有一个缺点就是句子太长的话encoder会遗忘，那么decoder接受到的句子特征也就不完全，我们看一下下面这个图，纵轴BLUE是机器翻译的指标，横轴是句子的单词量，我们可以看出用了attention之后模型的性能大大提升。
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用了注意力机制，Decoder每次更新状态的时候都会再看一遍encoder所有状态，还会告诉decoder要更关注哪部分，这也是attention名字的由来。但是缺点就是计算量很大。

Attention原理

在encoder结束之后，attention和decoder同时工作, 回忆一下，decoder的初始状态 $s_{0}$ 是 encoder最后一个状态, 不同于常规的Seq2Seq, encoder所有状态都要保留，这里需要计算 $s_{0}$ 与每个状态的相关性, 我使用 $\alpha_{i}=\operatorname{aligh}\left(h_{i}, s_{0}\right)$ 这个公式表示计算两者相关性，把结果即为 $\alpha_{i},$ 记做Weight, encoder有m个状态, 所以一共有m个 $\alpha,$ 这里所有的值都是介于0和1的实数, 全部加起来为1。
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下面看一下怎么计算这个相似性。第一种方法是把 $h_{i}$ 和 $S_{o}$ 做concat得到更高的向量，然后求矩阵W与这个向量的乘积, 得到一个向量, 然后再将tanh作用于向量每一个元素，将他压到-1和1之间，最后计算向量V与刚才计算出来的向量的内积, 这里的向量V和矩阵W都是参数，需要从训练算出m个 $\alpha$ 后，需要对他们做一个softmax变换, 把输出结果记做 $\alpha_{1}$ 到 $\alpha_{m},$ 因为是softmax输出，所以他们都大于0相加为1，这是第一篇attention论文提出计算的方法，往后有很多其他计算的方法，我们来介绍一种更常用的方法。
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输入还是 $h_{i}$ 和 $S_{0},$ 第一步是分别使用两个参数矩阵 $W_{k}, \quad W_{q}$ 做线性变换, 得到 $k_{i}$ 和 $q_{0}$ 这两个向量, 这两个参数矩阵要从训练数据中学习。第二步是计算 $k_{i}$ 与 $q_{0}$ 的内积, 由于有m个K向量, 所以得到L个 $\alpha_{i}$ 。第三步就是对这些值做一个softmax变换, $\alpha_{1}$ 到 $\alpha_{m},$ 因为是softmax输出，所以他们都大于0相加为1。这种计算方法被Transformer模型采用, Transformer模型是当前很多nlp问题采用的先进模型。
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刚才讲了两种方法来计算 $h_{i}$ 和 $S_{0}$ 的相关性，现在我们得到了m个相关性 $\alpha,$ 每个 $\alpha$ 对应每个状态 $h_{i},$ 有了这些权車 $\alpha$ 我们可以对m个状态计算加权平均, 得到一个Context vector $C_{0}$ 。每一个Context vector都会对应一个decoder状态 $s_{i}$
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接下来我们来看一下decoder是怎么计算新的状态的。我们来回顾一下，假如不用attention，我们是这样更新状态的，新的状态 $S_{1}$ 是旧状态 $S_{0}$ 与新输入 $X_{1}$ 的函数, 看一下下图左边的公式, 将两者做concat，然后乘上权重矩阵加上偏置b, 最后通过tanh就是我们的新状态，也就是说状态的更新仅仅是根据上一个状态，并不会看encoder的状态。用attention的话更新状态还要用到我们计算出的Context vector $C_{0},$ 把三个参数一起做concat后更新。
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回忆一下， $C_{0}$ 是所有encoder状态 $h_{i}$ 的加权平均, 所以 $C_{0}$ 知道输入 $X_{1}$ 到 $X_{m}$ 的完整信息, decoder新的状态 $S_{1}$ 依赖于 $C_{0},$ 这样RNN遗忘的问题就解决了。下一步则是计算context vector $C_{1},$ 跟之前一样, 先计算权重 $\alpha_{i},$ 这里是计算 $S_{1}$ 跟之前encoder所有状态的相关性, 得到了m个 $\alpha,$ 注意一下这里的权重也是要更新的，上一轮算的是跟 $s_{0}$ 的相关性现在算的是跟 $S_{1}$ 的相关性，这样就可以通过加权平均计算出新的 $C_{1}$ 。
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Decoder接受新的输入 X $_{2},$ 还是用那个公式计算出新状态, 然后一直循环下去直到结束。

我们知道在这个过程中我们会计算出很多权車 $\alpha_{i},$ 我们思考一下我们究竟计算了多少个 $\alpha$ ?想要计算出一个context vector $C_{j},$ 我们要计算出m个相似性权重 $\alpha,$ 所以每轮更新都需要计算m个权重，假如一共有t个state, 那么一共就要计算m\timest个权重, 也就是encoder和decoder数量的乘积。attention为了不遗忘，代价就是高数量级的计算。
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更抽象的理解

简而言之，Attention 机制就是对输入的每个元素考虑不同的权重参数，从而更加关注与输入的元素相似的部分，而抑制其它无用的信息，具体是通过一个叫做attention函数来实现的，它是用来得到attention value的。比较主流的attention框架如下：
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上图其实可以描述出attention value的本质：它其实就是一个查询(query)到一系列键值(key-value)对的映射。

更具体的，也就是attention函数的工作实质，如下图所示：
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可以看出Attention其实就是把序列中各个元素分配一个权重系数，上面从attention函数是attention机制的工作过程。现在换一个角度来理解，我们将attention机制看做软寻址。就是说序列中每一个元素都由key(地址)和value(元素)数据对存储在存储器里，当有query=key的查询时，需要取出元素的value值(也即query查询的attention值)，与传统的寻址不一样，它不是按照地址取出值的，它是通过计算key与query的相似度来完成寻址。这就是所谓的软寻址，它可能会把所有地址(key)的值(value)取出来，上步计算出的相似度决定了取出来值的重要程度，然后按重要程度合并value值得到attention值，此处的合并指的是加权求和。

Attention 的优缺点

优点：

一步到位的全局联系捕捉。attention机制可以灵活的捕捉全局和局部的联系，而且是一步到位的。另一方面从attention函数就可以看出来，它先是进行序列的每一个元素与其他元素的对比，在这个过程中每一个元素间的距离都是一，因此它比时间序列RNNs的一步步递推得到长期依赖关系好的多，越长的序列RNNs捕捉长期依赖关系就越弱。
并行计算减少模型训练时间。Attention 机制每一步的计算都不依赖于上一步的计算结果，因此可以并行处理。
模型复杂度小，参数少

缺点：
缺点很明显，attention机制不是一个"distance-aware"的，它不能捕捉语序顺序(这里是语序哦，就是元素的顺序)。这在NLP中是比较糟糕的，自然语言的语序是包含太多的信息。如果确实了这方面的信息，结果往往会是打折扣的。当然这个缺点也好搞定，再添加位置信息就好了，所以就有了 position-embedding(位置向量)的概念了，这里就不细说了。

转载来源
https://zhuanlan.zhihu.com/p/135970560
https://zhuanlan.zhihu.com/p/35571412?spm=a2c4e.10696291.0.0.3f4619a49c8SGU
https://www.cnblogs.com/ydcode/p/11038064.html