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一、背景信息：
Transformer是一种由谷歌在2017年提出的深度学习模型。
主要用于自然语言处理（NLP）任务，特别是序列到序列（Sequence-to-Sequence）的学习问题，如机器翻译、文本生成等。Transformer彻底改变了之前基于循环神经网络（RNNs）和长短期记忆网络（LSTMs）的序列建模范式，并且在性能上取得了显著提升。
二、整体结构：
Transformer 由 Encoder 和 Decoder 两个部分组成，Encoder 和 Decoder 都包含 6 个 block。
Transformer 的输入
Transformer 的输入由 x的 词向量 和 位置向量 相加得到。
其中Transformer 在位置向量中保存单词在序列中的相对或绝对位置信息，位置向量由PE(Positional Encoding)表示：
eg：假设n为序列长度，d为表示向量维度，原始输入为 X o r i − i n p u t X_{ori-input} Xori−input（ [ x 1 , x 2 . . . x n ] [x_{1},x_{2}...x_{n} ] [x1,x2...xn]）
则，原始输入 X o r i − i n p u t X_{ori-input} Xori−input的词向量矩阵为 X W E X_{WE} XWE其维度为(n, d),
原始输入 X o r i − i n p u t X_{ori-input} Xori−input的位置向量矩阵 X P E X_{PE} XPE维度也为(n, d)，
最终 Transformer 的输入矩阵 X i n p u t X_{input} Xinput = X W E X_{WE} XWE + X P E X_{PE} XPE维度也是(n, d)。
三、 Encoder
Encoder 部分由6个Encoder block 组成。
Encoder block 由Multi-Head Attention结合Add & Norm、Feed Forward结合 Add & Norm 组成。
即由下面两部分组成：
X = L a y d e r N o r m ( X i n p u t + M u l t i H e a d A t t e n t i o n ( X i n p u t ) ) X = LayderNorm(X_{input} + MultiHeadAttention(X_{input})) X=LayderNorm(Xinput+MultiHeadAttention(Xinput))
X = L a y d e r N o r m ( X + F e e d F o r w o r d ( X ) ) X = LayderNorm(X + FeedForword(X)) X=LayderNorm(X+FeedForword(X))
MultiHeadAttention部分
其中MultiHeadAttention为多个Self-Attention进行Concat后linear而成：
Q = X i n p u t × W q Q = X_{input} \times W_{q} Q=Xinput×Wq
K = X i n p u t × W k K = X_{input} \times W_{k} K=Xinput×Wk
V = X i n p u t × W v V = X_{input} \times W_{v} V=Xinput×Wv
Z = A t t e n t i o n ( Q , K , V ) = s o f t m a x ( Q K T d k ) V Z = Attention(Q, K, V) = softmax( \frac{QK^{T} }{\sqrt{d_{k}} } )V Z=Attention(Q,K,V)=softmax(dkQKT)V
其中， Z 1 . . . . Z 8 Z_{1}....Z_{8} Z1....Z8为X_{input} 经过8个不同Self-Attention得到的结果
X = M u l t i H e a d A t t e n t i o n ( X i n p u t ) = L i n e a r ( C o n c a t ( Z 1 , Z 2 . . . . Z 8 ) ) X =MultiHeadAttention(X_{input} ) = Linear(Concat(Z_{1},Z_{2}....Z_{8})) X=MultiHeadAttention(Xinput)=Linear(Concat(Z1,Z2....Z8))
FeedForword部分
Feed Forward 层，是一个两层的全连接层，第一层的激活函数为 Relu，第二层不使用激活函数，公式如下。
F e e d F o r w o r d ( X ) = m a x ( 0 , X W 1 + b 1 ) W 2 + b 2 FeedForword(X) = max(0, XW_{1} + b_{1})W_{2} + b_{2} FeedForword(X)=max(0,XW1+b1)W2+b2
四、 Decoder
Decoder 由 6个Decoder block 以及最后的一个linear组成。
Decoder block 由 一个带有 Masked的Multi-Head Attention结合Add & Norm和一个Multi-Head Attention结合Add & Norm以及一个Feed Forward结合 Add & Norm 组成。
X o u t p u t = X o u p u t − o r i ⊗ X M a s k X_{output}=X_{ouput-ori }\otimes X_{Mask} Xoutput=Xouput−ori⊗XMask
X = L a y d e r N o r m ( X o u t p u t + M a s k M u l t i H e a d A t t e n t i o n ( X o u p u t ) ) X = LayderNorm(X_{output} + MaskMultiHeadAttention(X_{ouput})) X=LayderNorm(Xoutput+MaskMultiHeadAttention(Xouput))
X = L a y d e r N o r m ( X + M u l t i H e a d A t t e n t i o n ( [ X a s Q , E C a s K , E C a s V ] ) X = LayderNorm(X + MultiHeadAttention([X_{as Q}, EC_{as K}, EC_{as V}]) X=LayderNorm(X+MultiHeadAttention([XasQ,ECasK,ECasV])
X r e s u l t = S o f t m a x ( X ) X_{result} = Softmax(X) Xresult=Softmax(X)
带有 Masked的Multi-Head Attention层
其中带有 Masked的Multi-Head Attention中 X o u p u t X_{ouput} Xouput为Transformer 标签对应输出向量； X o u p u t − o r i X_{ouput-ori} Xouput−ori需要先 ⊗ \otimes ⊗ X M a s k X_{Mask} XMask得到 X o u p u t X_{ouput} Xouput
Q = X o u p u t × W q Q = X_{ouput} \times W_{q} Q=Xouput×Wq
K = X o u p u t × W k K = X_{ouput} \times W_{k} K=Xouput×Wk
V = X o u p u t × W v V = X_{ouput} \times W_{v} V=Xouput×Wv
Z = A t t e n t i o n ( Q , K , V ) = s o f t m a x ( Q K T d k ⊗ X M a s k ) V Z = Attention(Q, K, V) = softmax( \frac{QK^{T} }{\sqrt{d_{k}} } \otimes X_{Mask} )V Z=Attention(Q,K,V)=softmax(dkQKT⊗XMask)V
其中第二个 Multi-Head Attention层
Self-Attention 的 K, V矩阵使用的是根据Encoder编码的输出矩阵C计算得到 K, V； Self-Attention 的 Q矩阵是根据Decoder block中的Masked Multi-Head Attention层输出矩阵 Z 计算得到 Q。
Reference
1.Attention Is All You Need
2.Transformer模型详解（图解最完整版）
3.Self-Attention & Transformer完全指南：像Transformer的创作者一样思考