1.问题提出

全连接神经网络（FCN），可以很好的处理输入为1个向量（特征向量）的情况，但是如果输入是一组向量，FCN处理起来不太方便

以词性标记的问题为例

对于处于同一个句子中的相同的2个单词saw，词性不同，前者为动词（V），后者为名词（N）

如果尝试使用FCN去解决这个问题，将每个单词转化为向量输入FCN，对于相同的2个单词，FCN的输出应该是相同的，不能根据单词在句子中所处的不同位置做出判断，_{FCN只关注外表}

2.Self-Attention

2.1 定义

整体结构如下

这样的结构可以叠加多层

Self-attention内部结构如下

输入原始向量\(\vec{a}\)，经过Self-attention后输出经过处理的向量\(\vec{b}\)，是考虑所在向量序列的上下文的输出

2.2 工作原理

2个向量的关联程度\(\alpha\)计算如下，即attention score

分别计算\(a^1\)和\(a^1\)、\(a^2\)、\(a^3\)、\(a^4\)的关联程度\(\vec{\alpha_1}\)，再经过softmax得到\(\vec{\alpha_1^\prime}\)

再求出\(\vec{v}\)，和刚刚求得的\(\vec{\alpha_1^\prime}\)作内积（加权求和），即得输入\(\vec{a^1}\)考虑上下文之后得最终输出\(\vec{b^1}\)

以上处理是对向量\(\vec{a^1}\)输出\(\vec{b^1}\)的处理过程，同理对\(\vec{a^2}\)、\(\vec{a^3}\)、\(\vec{a^4}\)也做类似的处理，可得\(\vec{b^2}\)、\(\vec{b^3}\)、\(\vec{b^4}\)

2.3 矩阵表示

由输入向量序列得到Q、K、V矩阵

attention score计算

输出计算

整体结构如下

2.4 直观理解

• 理解1：针对某一个具体得问题，对于向量序列中的某一个向量，比如\(\vec{a^1}\)，如果\(\vec{a^1}\)和另外一个向量\(\vec{a^i}\)的关联程度比较大，则计算出来的attention score就比较大，加权求和得到最后的输出向量，就和\(\vec{a^i}\)比较相近
• 理解2：q（query）、k（key）、v（value）
  • q，可以理解为要查询当前向量，想要或者其和序列中哪个向量关系更紧密
  • k，可以理解为对其他向量提取了一个关键字，用于和q计算关联程度
  • v，可以理解为其他向量对于最后输出向量的贡献值，（k，v可以结合起来考虑，类比键值对的概念理解）

3.multi-head Self-attention

为什么需要multi-head Self-attention？

一组权重\(W^q\)、\(W^k\)、\(W^v\)，对应了输入序列中的一中关系，可能存在多种关系，所有需要多组参数，称之为multi-head

4.Positional Encoding

上述Self-attention并没有考虑当前输入向量在整个输入向量序列中的位置关系，考虑对输入向量加上一个位置向量

位置向量\(e^i\)可以是手工设计的，也可以是从数据中学习出来的

5.Self-attention vs RNN

RNN也用来处理向量序列输入，和Self-attention相比，最主要的区别是RNN不能并行处理，输出之间存在依赖关系，而Self-attention可以用矩阵的方式表达，是可以并行处理的。此外，如果RNN要考虑第一个向量和最后一个向量之间的关系，要传递很多次memory，比较难，而Self-attention任意两个向量之间是通过计算attention score衡量联系程度的，所以远距离向量之间的关系比较容易得出。