attention的注意力分数 | attention scoring functions

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Attention score

本节内容主要是解释什么是attention打分函数。

当然我们首先需要了解什么是attention scoring（注意力分数）。

我们之前讲通用的注意力汇聚公式如下：

$$f(x) = \sum_{i=1}^n \alpha(x, x_i) y_i$$

就是用 $x$和 $x_i$之间的距离关系对 $y$进行加权。 

展开得到：

$$\alpha(\mathbf{q}, \mathbf{k}_i) = \mathrm{softmax}(a(\mathbf{q}, \mathbf{k}_i)) = \frac{\exp(a(\mathbf{q}, \mathbf{k}_i))}{\sum_{j=1}^m \exp(a(\mathbf{q}, \mathbf{k}_j))} \in \mathbb{R}$$

• 绿色框框里是α，对应的是注意力权重。
• 红色框框里是a，对应的是注意力分数。

也就说， ​注意力分数 softmax之后变为 ​注意力权重 ， ​注意力权重 就是 ​注意力分数 经过softmax计算。

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看一下下图：

以softmax为界限，左边就是注意力分数（attention score）的计算部分，右边就转入注意力权重（attention weight）的计算了。

Attention scoring functions

我们之前在nadaraya-waston核回归之中讲过，我们选择高斯核作为计算方法。由此可知我们可以选择不同计算方法形成不同的注意力评分函数，不同的注意力评分函数会导致不同的注意力汇聚操作。这次我们介绍两种常用的注意力评分函数计算方法：

Scaled dot-product attention

之前我们在nadaraya-waston核回归key是一个向量，query是单个值。其实query也可以是一个张量的。

缩放点积注意力（scaled dot-product attention）主要就是为了处理当query也是向量的时候该如何进行计算，注意这里要求query和key长度必须相等！！！

公式如下：

$$a(\mathbf q, \mathbf k) = \mathbf{q}^\top \mathbf{k} /\sqrt{d}$$

• 其中 $d$是向量维度的大小。

我们之前是使用高斯核 $K(u) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \exp(-\frac{u^2}{2})$来计算 $x$和每个 $x_i$之间的距离也就是query和keys之间的距离，现在我们直接使用内积一步到位。

学过线代的应该都知道，从几何意义上来说，是一个向量在另一个向量上的投影；从信号处理的角度来说，内积是两个信号的相似性。因此在这里使用向量内积直接求query和key之间的距离。

此外这样计算还有一个好处，就是我们实际操作中使用mini-batch，这里可以直接将其拼接乘矩阵进行非常简单的计算即可完成整个attention weight的计算。

公式如下：

$$\mathrm{softmax}\left(\frac{\mathbf Q \mathbf K^\top }{\sqrt{d}}\right) \mathbf V$$

• 其中key和query的长度都是d
• 假设有m个query和n个key，那其中：
  • query： $\mathbf Q\in\mathbb R^{m\times d}$
  • key： $\mathbf K\in\mathbb R^{n\times d}$
  • value： $\mathbf V\in\mathbb R^{n\times v}$ 。
• 最终结果维度是 $\mathbb{R}^{m\times v}$

Additive attention

讲完query和key等长，再看一下不等长时候怎么办。这种加性注意力（additive attention）这种主要是应对当query和key长度不同的时候是怎么操作的。

公式如下：

现在假设query的长度为q，key的长度为k，那么 $\mathbf{q} \in \mathbb{R}^q$ 和键 $\mathbf{k} \in \mathbb{R}^k$。

$$a(\mathbf q, \mathbf k) = \mathbf w_v^\top \text{tanh}(\mathbf W_q\mathbf q + \mathbf W_k \mathbf k)$$

• 可以很直观得从公式看出这里是将q和k直接扔进了一个小的神经网络里边，经过一层tanh激活函数之后得到注意力分数。

• 其中 $\mathbf W_q\in\mathbb R^{h\times q}$、 $\mathbf W_k\in\mathbb R^{h\times k}$，这样经过计算之后可以将结果都转化为 $\mathbb R^{h\times 1}$。

• 经过tanh激活之后在和维度为h的 $\mathbf w_v\in\mathbb R^{h}$进行计算，得到最终结果是一个数，维度 $\mathbb{R}^1$。

补充

注意上边讲的两种方法是对于一个query和key的计算，中间插的那个mini-batch的简便计算是对整体的，是把Scaled dot-product attention所有的query和key一起计算，第二部分中additive attention中没写整体计算方法。以免有人看的迷糊，特此声明。