Transformer里的多头K和V是怎么拆分并参与注意力计算的?

在Transformer架构里,多头注意力机制(Multi - Head Attention)中涉及到`kvahead`(多头的`K`和`V`)的概念,下面详细阐述其在注意力公式里的应用。 ### 基本概念 在注意力机制中,输入序列会通过线性变换得到查询(Query,`Q`)、键(Key,`K`)和值(Value,`V`)三个矩阵。多头注意力机制把`Q`、`K`和`V`分别划分成多个头(head),每个头独立计算注意力分数,最后再把结果拼接起来。 ### 注意力公式 单头注意力的计算公式如下: \[ \text{Attention}(Q, K, V)=\text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V \] 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。 ### `kvahead`(`K`和`V`多头)的应用步骤 1. **线性变换与多头划分**: 输入的序列$X$会通过三个不同的线性变换得到$Q$、$K$和$V$。假设输入维度是$d_{model}$,头的数量是$h$,每个头的维度是$d_k = \frac{d_{model}}{h}$。 \[ \begin{align*} Q&=XW^Q\\ K&=XW^K\\ V&=XW^V \end{align*} \] 其中,$W^Q$、$W^K$和$W^V$是可学习的权重矩阵。然后把$Q$、$K$和$V$分别划分成$h$个头: \[ \begin{align*} Q_i&=Q[:, :, i\times d_k:(i + 1)\times d_k]\\ K_i&=K[:, :, i\times d_k:(i + 1)\times d_k]\\ V_i&=V[:, :, i\times d_k:(i + 1)\times d_k] \end{align*} \] 这里的$i$表示第$i$个头。 2. **每个头计算注意力**: 对每个头分别应用注意力公式: \[ \text{Attention}_i(Q_i, K_i, V_i)=\text{softmax}\left(\frac{Q_iK_i^T}{\sqrt{d_k}}\right)V_i \] 3. **拼接结果**: 将所有头的注意力结果拼接起来: \[ \text{MultiHead}(Q, K, V)=\text{Concat}(\text{Attention}_1, \text{Attention}_2, \cdots, \text{Attention}_h)W^O \] 其中,$W^O$是另一个可学习的权重矩阵。 ### 代码示例(使用PyTorch) ```python import torch import torch.nn as nn class MultiHeadAttention(nn.Module): def __init__(self, d_model, num_heads): super(MultiHeadAttention, self).__init__() assert d_model % num_heads == 0, "d_model must be divisible by num_heads" self.d_model = d_model self.num_heads = num_heads self.d_k = d_model // num_heads self.W_q = nn.Linear(d_model, d_model) self.W_k = nn.Linear(d_model, d_model) self.W_v = nn.Linear(d_model, d_model) self.W_o = nn.Linear(d_model, d_model) def forward(self, Q, K, V): batch_size = Q.size(0) # 线性变换 Q = self.W_q(Q) K = self.W_k(K) V = self.W_v(V) # 划分成多个头 Q = Q.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.d_k).transpose(1, 2) K = K.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.d_k).transpose(1, 2) V = V.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.d_k).transpose(1, 2) # 计算注意力分数 attn_scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-2, -1)) / torch.sqrt(torch.tensor(self.d_k, dtype=torch.float32)) attn_probs = torch.softmax(attn_scores, dim=-1) # 计算注意力输出 attn_output = torch.matmul(attn_probs, V) # 拼接结果 attn_output = attn_output.transpose(1, 2).contiguous().view(batch_size, -1, self.d_model) # 最终线性变换 output = self.W_o(attn_output) return output ```

创作声明:本文部分内容由AI辅助生成(AIGC),仅供参考

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**构建多头注意力层**:每个注意力头包含三个线性变换:查询(Q)、键(K)和值(V)。

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文章接下来详细阐述了自注意力机制的计算过程,包括查询(Q)、键(K)、值(V)三个矩阵在计算中的作用及其所代表的几何意义。

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该机制通过将输入的Query(Q)、Key(K)、Value(V)向量映射到不同的子空间中,从而能够并行计算出多组注意力权重,每组对应一个“头”。

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**自注意力机制的具体步骤**包括:1. **查询(Q)**、键(K)和值(V)的计算**:**将输入序列经过不同的线性变换得到Q、K、V三者。2.

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首先,生成K和V的过程,即从大量的餐厅选项中提取关键信息(Key),并准备详细信息(Value)以备后续的比对。

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公式为F(q) = α(q, k1) * v1 + α(q, k2) * v2 + …。在实际应用中,Self-Attention机制可以用于解决序列长距离依赖问题,並具有并行计算能力。

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在多头注意力机制中,Q、K、V会经过分割,分别在不同的子空间进行独立的计算,之后再将这些计算结果合并起来。这种机制让模型能够更加细致地处理和理解输入数据的不同方面。

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这种机制利用查询(Q)、键(K)和值(V)三个矩阵进行计算,通过Q和K的点积得到注意力分数,然后通过softmax函数进行归一化,最后对V进行加权求和得到最终输出。

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自注意力的主要操作包括三个线性变换,分别对应于“查询(Query)”、“键(Key)”和“值(Value)”,这些变换通过三个不同的权重矩阵Q、K、V来执行。

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