介绍注意力机制和多头注意力机制

### 注意力机制、自注意力机制与多头注意力机制 #### 定义与概念 注意力机制是一种用于增强模型性能的技术，它允许模型聚焦于输入序列的不同部分以生成输出[^1]。通过分配不同的权重给输入中的各个元素，注意力机制能够帮助神经网络更好地捕捉重要特征。 相比之下，自注意力机制（Self-Attention Mechanism）专注于同一序列内部的关系建模。具体而言，该方法计算序列中每个位置与其他所有位置之间的关系强度，并据此调整其表示向量。这种方法特别适用于自然语言处理任务，在这些场景下可以有效捕获长距离依赖性。 多头注意力机制则是对标准自注意力的一种扩展形式。它的核心思想在于并行运行多个独立的注意力子层，从而使得模型可以从不同角度提取信息。最终会将各头部的结果拼接起来并通过线性变换得到整体输出。 #### 主要差异对比 | 特征 | Attention Mechanism | Self-Attention Mechanism | Multi-Head Attention Mechanism | |---------------------|----------------------------------------|---------------------------------------|-----------------------------------------| | 输入源 | 来自两个不同的序列 | 同一序列 | 同一序列 | | 关系建模 | 跨越两个序列 | 序列内 | 多视角下的序列内 | | 计算复杂度 | 较低 | 中等 | 高 | 以下是实现一个多头注意力机制的一个简单例子： ```python import torch.nn as nn import torch class MultiHeadAttention(nn.Module): def __init__(self, d_model, num_heads): super(MultiHeadAttention, self).__init__() assert d_model % num_heads == 0 self.d_k = d_model // num_heads self.num_heads = 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.fc_out = nn.Linear(d_model, d_model) def forward(self, q, k, v): batch_size = q.size(0) # Linear transformations Q = self.W_q(q).view(batch_size, -1, self.num_heads, self.d_k).transpose(1,2) K = self.W_k(k).view(batch_size, -1, self.num_heads, self.d_k).transpose(1,2) V = self.W_v(v).view(batch_size, -1, self.num_heads, self.d_k).transpose(1,2) scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-2,-1)) / (K.size(-1)**0.5) attn_weights = nn.Softmax(dim=-1)(scores) context_vector = torch.matmul(attn_weights,V).transpose(1,2).contiguous().view(batch_size, -1, self.num_heads * self.d_k) output = self.fc_out(context_vector) return output ```

自注意力机制、多头注意力机制和多头自注意力机制是深度学习中的三种常见的注意力机制。 自注意力机制是指在一个序列中，每个位置都可以与序列中的其他位置产生关联，然后根据这些关联计算该位置的表示。自注意力机制将输入序列中的每个元素作为查询，键和值，并计算每个元素在序列中的权重，从而产生输出序列。 多头注意力机制是指将自注意力机制进行扩展，将原始输入元素分成多个头（头数是超参数），每个头都使用自注意力机制来计算权重。最后将每个头的输出拼接在一起，形成最终的输出。 多头自注意力机制将自注意力机制和多头注意力机制结合起来，即在一个序列中，每个位置都可以与序列中的其他位置产生关联，并且每个位置可以分成多个头，每个头都使用自注意力机制来计算权重。 这些注意力机制在自然语言处理任务中得到广泛应用，例如机器翻译、文本摘要等。