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0f039659f5
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@ -1,217 +1,220 @@
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## 图解GPT
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# 图解GPT
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除了BERT以外,另一个预训练模型GPT也给NLP领域带来了不少轰动,本节也对GPT做一个详细的讲解,感兴趣的读者可以选择性阅读。
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内容组织:
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- 图解GPT
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- 什么是语言模型
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- 自编码(auto-encoder)语言模型
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- 自回归(auto-regressive)语言模型
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- 基于Transformer的语言模型
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- Transformer进化
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- GPT2概述
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- GPT2详解
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- 输入编码
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- 多层Decoder
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- Decoder中的Self-Attention
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- 详解Self-Attention
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- 可视化Self-Attention
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- 图解Masked Self-attention
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- GPT2中的Self-Attention
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- GPT2全连接神经网络
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- 语言模型应用
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- 机器翻译
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- 生成摘要
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- 迁移学习
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- 音乐生成
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- 总结
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- 致谢
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图: 结构总览
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除了BERT以外,另一个预训练模型GPT也给NLP领域带来了不少轰动,本节也对GPT做一个详细的讲解。
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## 前言
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OpenAI提出的GPT-2模型(https://openai.com/blog/better-language-models/)能够写出连贯并且高质量的文章,比之前语言模型效果好很多。GPT-2是基于Transformer搭建的,相比于之前的NLP语言模型的区别是:基于Transformer大模型、,在巨大的数据集上进行了预训练。在本章节中,我们将对GPT-2的结构进行分析,对GPT-2的应用进行学习,同时还会深入解析所涉及的self-attention结构。本文可以看作是篇章2.2图解Transformer、2.3图解BERT的一个补充。
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这篇文章翻译自[GPT2](http://jalammar.github.io/illustrated-gpt2)。多图详细解释当今最为强大的人工智能 GPT-2(截至 2019 年 8 月 12 日)。
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这篇文章翻译自[GPT2](http://jalammar.github.io/illustrated-gpt2)。
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今年,我们看到了机器学习在许多场景的广泛应用。OpenAI GPT-2(https://openai.com/blog/better-language-models/)表现出了令人印象深刻的能力,它能够写出连贯而充满激情的文章,这超出了我们当前对语言模型的预期效果。GPT-2 不是一个特别新颖的架构,而是一种与 Transformer 解码器非常类似的架构。不过 GPT-2 是一个巨大的、基于 Transformer 的语言模型,它是在一个巨大的数据集上训练的。在这篇文章,我们会分析它的结构,以及这种结构产生的作用。我们会深入了解 Self Attention 层的细节。然后我们会再了解一下这种只有 Decoder 的 Transformer 在语言建模之外的应用。
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## 语言模型和GPT-2
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这篇文章可以看作是之前文章[《图解Transformer(完整版)!》](https://github.com/datawhalechina/transformers-quick-start-zh/blob/main/transformer%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E5%8E%9F%E7%90%86%E8%AE%B2%E8%A7%A3/2-%E5%9B%BE%E8%A7%A3transformer.md)的补充。图解 Transformer 的文章使用了更多的图来解释 Transformer 的内部工作原理,以及它们是如何从原始论文一步一步进化的。我希望这种可视化的方式能够更加容易解释基于 Transformer 的模型内部原理和进化。
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## GPT2 和语言模型
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首先,我们来看看什么是语言模型。
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### 什么是语言模型
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### 什么是语言模型
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本文主要描述和对比2种语言模型:
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在 图解 Word2Vec(https://jalammar.github.io/illustrated-word2vec/) 中,我们了解到语言模型基本上是一个机器学习模型,它可以根据句子的一部分预测下一个词。最著名的语言模型就是手机键盘,它可以根据你输入的内容,提示下一个单词。
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- 自编码(auto-encoder)语言模型
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- 自回归(auto-regressive)语言模型
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图:词之间的关系
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从这个意义上讲,GPT-2 基本上就是键盘应用程序中预测下一个词的功能,但 GPT-2 比你手机上的键盘 app 更大更复杂。GPT-2 是在一个 40 GB 的名为 WebText 的数据集上训练的,OpenAI 的研究人员从互联网上爬取了这个数据集,作为研究工作的一部分。从存储空间大小方面来比较,我使用的键盘应用程序 SwiftKey,占用了 78 MB 的空间。而最小的 GPT-2 变种,需要 500 MB 的空间来存储它的所有参数。最大的 GPT-2 模型变种是其大小的 13 倍,因此占用的空间可能超过 6.5 GB。
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图:GPT发展
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对 GPT-2 进行实验的一个很好的方法是使用 AllenAI GPT-2 Explorer(https://gpt2.apps.allenai.org/?text=Joel is)。它使用 GPT-2 来显示下一个单词的 10 种预测(包括每种预测的分数)。你可以选择一个单词,然后就能看到下一个单词的预测列表,从而生成一篇文章。
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### 语言模型的 Transformer
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正如我们在图解 Transformer中看到的,原始的 Transformer 模型是由 Encoder 和 Decoder 组成的,它们都是由 Transformer 堆叠而成的。这种架构是合适的,因为这个模型是用于处理机器翻译的。在机器翻译问题中,Encoder-Decoder 的架构已经在过去成功应用了。
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图:transformer
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在随后的许多研究工作中,只使用 Transformer 中的一部分,要么去掉 Encoder,要么去掉 Decoder,并且将它们堆得尽可能高。使用大量的训练文本,并投入大量的计算(数十万美元用于训练这些模型,在 AlphaStar 的例子中可能是数百万美元)。
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图:gpt-bert
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我们可以将这些模块堆得多高呢?事实证明,这是区分不同的 GPT-2 的主要因素之一。
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先看自编码语言模型。
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自编码语言模型典型代表就是篇章2.3所描述的BERT。如下图所示,自编码语言模型通过随机Mask输入的部分单词,然后预训练的目标是预测被Mask的单词,不仅可以融入上文信息,还可以自然的融入下文信息。
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图:gpt区分
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图: BERT mask
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### 与 BERT 的一个不同之处
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自编码语言模型的优缺点:
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- 优点:自然地融入双向语言模型,同时看到被预测单词的上文和下文
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- 缺点:训练和预测不一致。训练的时候输入引入了[Mask]标记,但是在预测阶段往往没有这个[Mask]标记,导致预训练阶段和Fine-tuning阶段不一致。
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接着我们来看看什么是常用的自回归(auto-regressive)语言模型:语言模型根据输入句子的一部分文本来预测下一个词。日常生活中最常见的语言模型就是输入法提示,它可以根据你输入的内容,提示下一个单词。
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机器人第一定律:
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机器人不得伤害人类,也不能因不作为而使人类受到伤害。
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GPT-2 是使用 Transformer 的 Decoder 模块构建的。另一方面,BERT 是使用 Transformer 的 Encoder 模块构建的。我们将在下一节中研究这种差异。但它们之间的一个重要差异是,GPT-2 和传统的语言模型一样,一次输出一个 token。例如,让一个训练好的 GPT-2 背诵机器人第一定律:
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图:输入提示
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图: gpt2 output
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自回归语言模型的优点和缺点:
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- 优点:对于生成类的NLP任务,比如文本摘要,机器翻译等,从左向右的生成内容,天然和自回归语言模型契合。
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- 缺点:由于一般是从左到右(当然也可能从右到左),所以只能利用上文或者下文的信息,不能同时利用上文和下文的信息。
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这些模型的实际工作方式是,在产生每个 token 之后,将这个 token 添加到输入的序列中,形成一个新序列。然后这个新序列成为模型在下一个时间步的输入。这是一种叫“自回归(auto-regression)”的思想。这种做法可以使得 RNN 非常有效。
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GPT-2属于自回归语言模型,相比于手机app上的输入提示,GPT-2更加复杂,功能也更加强大。因为,OpenAI的研究人员从互联网上爬取了40GB的WebText数据集,并用该数据集训练了GPT-2模型。我们可以直接在[AllenAI GPT-2 Explorer网站](https://gpt2.apps.allenai.org/?text=Joel)上试用GPT-2模型。
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图:自回归GPT-2
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图: gpt2 output
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图:多种GPT模型
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### 基于Transformer的语言模型
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GPT-2,和后来的一些模型如 TransformerXL 和 XLNet,本质上都是自回归的模型。但 BERT 不是自回归模型。这是一种权衡。去掉了自回归后,BERT 能够整合左右两边的上下文,从而获得更好的结果。XLNet 重新使用了 自回归,同时也找到一种方法能够结合两边的上下文。
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正如我们在图解Transformer所学习的,原始的Transformer模型是由 Encoder部分和Decoder部分组成的,它们都是由多层transformer堆叠而成的。原始Transformer的seq2seq结构很适合机器翻译,因为机器翻译正是将一个文本序列翻译为另一种语言的文本序列。
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图:原始Transformer结构
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但如果要使用Transformer来解决语言模型任务,并不需要完整的Encoder部分和Decoder部分,于是在原始Transformer之后的许多研究工作中,人们尝试只使用Transformer Encoder或者Decoder,并且将它们堆得层数尽可能高,然后使用大量的训练语料和大量的计算资源(数十万美元用于训练这些模型)进行预训练。比如BERT只使用了Encoder部分进行masked language model(自编码)训练,GPT-2便是只使用了Decoder部分进行自回归(auto regressive)语言模型训练。
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图:GPT、BERT、Transformer-XL
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图:层数越来越多的GPT2模型
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### Transformer 模块的进化
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### Transformer进化
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Transformer的Encoder进化成了BERT,Decoder进化成了GPT2。
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Transformer 原始论文(https://arxiv.org/abs/1706.03762) 介绍了两种模块:
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首先看Encoder部分。
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Encoder 模块
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首先是 Encoder 模块。
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图:encoder
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原始的Transformer论文中的Encoder部分接受特定长度的输入(如 512 个 token)。如果一个输入序列比这个限制短,我们可以使用pad填充序列的其余部分。如篇章2.3所讲,BERT直接使用了Encoder部分。
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图: encoder
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再回顾下Decoder部分
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与Encoder相比,Decoder部分多了一个Encoder-Decoder self-attention层,使Decoder可以attention到Encoder编码的特定的信息。
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原始的 Transformer 论文中的 Encoder 模块接受特定长度的输入(如 512 个 token)。如果一个输入序列比这个限制短,我们可以填充序列的其余部分。
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Decoder 模块
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其次是 Decoder。与 Encoder 相比,它在结构上有一个很小的差异:它有一个层,使得它可以关注来自 Encoder 特定的段。
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图: decoder
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图: decoder
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这里的 Self Attention 层的一个关注差异是,它会屏蔽未来的 token。具体来说,它不像 BERT 那样将单词改为mask,而是通过改变 Self Attention 的计算,阻止来自被计算位置右边的 token。
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Decoder中的的 Masked Self-Attention会屏蔽未来的token。具体来说,它不像 BERT那样直接将输入的单词随机改为mask,而是通过改变Self-Attention的计算,来屏蔽未来的单词信息。
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例如,我们想要计算位置 4,我们可以看到只允许处理以前和现在的 token。
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例如,我们想要计算位置4的attention,我们只允许看到位置4以前和位置4的token。
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图: decoder只能看到以前和现在的token
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图: decoder只能看到以前和现在的token
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很重要的一点是,(BERT 使用的)Self Attention 和 (GPT-2 使用的)masked Self Attention 有明确的区别。一个正常的 Self Attention 模块允许一个位置关注到它右边的部分。而 masked Self Attention 阻止了这种情况的发生:
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由于GPT2基于Decoder构建,所以BERT和GPT的一个重要区别来了:由于BERT是基于Encoder构建的,BERT使用是Self Attention层,而GPT2基于Decoder构建,GPT-2 使用masked Self Attention。一个正常的 Self Attention允许一个位置关注到它两边的信息,而masked Self Attention只让模型看到左边的信息:
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图: mask attention
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图: self attention vs mask self attention
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只有 Decoder 的模块
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那么GPT2中的Decoder长什么样子呢?先要说一下[Generating Wikipedia by Summarizing Long Sequences](https://arxiv.org/pdf/1801.10198.pdf)这篇文章,它首先提出基于Transformer-Decoder部分进行语言模型训练。由于去掉了Encoder部分,于是Encoder-Decoder self attention也不再需要,新的Transformer-Decoder模型如下图所示:
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在 Transformer 原始论文发布之后,Generating Wikipedia by Summarizing Long Sequences(https://arxiv.org/pdf/1801.10198.pdf) 提出了另一种能够进行语言建模的 Transformer 模块的布局。这个模型丢弃了 Transformer 的 Encoder。因此,我们可以把这个模型称为 Transformer-Decoder。这种早期的基于 Transformer 的语言模型由 6 个 Decoder 模块组成。
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图: transformer-decoder
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图: transformer-decoder
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这些 Decoder 模块都是相同的。我已经展开了第一个 Decoder,因此你可以看到它的 Self Attention 层是 masked 的。注意,现在这个模型可以处理多达 4000 个 token--是对原始论文中 512 个 token 的一个大升级。
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随后OpenAI的GPT2也使用的是上图的Transformer-Decoder结构。
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这些模块和原始的 Decoder 模块非常类似,只是它们去掉了第二个 Self Attention 层。在 Character-Level Language Modeling with Deeper Self-Attention(https://arxiv.org/pdf/1808.04444.pdf) 中使用了类似的结构,来创建一次一个字母/字符的语言模型。
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### GPT2概述
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OpenAI 的 GPT-2 使用了这些 Decoder 模块。
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现在来拆解一个训练好的GPT-2,看看它是如何工作的。
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### 语言模型入门:了解 GPT2
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让我们拆解一个训练好的 GPT-2,看看它是如何工作的。
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图:拆解GPT2
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图:拆解GPT2
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GPT-2 能够处理 1024 个 token。每个 token 沿着自己的路径经过所有的 Decoder 模块
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GPT-2能够处理1024 个token。每个token沿着自己的路径经过所有的Decoder层。试用一个训练好的GPT-2模型的最简单方法是让它自己生成文本(这在技术上称为:生成无条件文本)。或者,我们可以给它一个提示,让它谈论某个主题(即生成交互式条件样本)。
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运行一个训练好的 GPT-2 模型的最简单的方法是让它自己生成文本(这在技术上称为 生成无条件样本)。或者,我们可以给它一个提示,让它谈论某个主题(即生成交互式条件样本)。在漫无目的情况下,我们可以简单地给它输入初始 token,并让它开始生成单词(训练好的模型使用 <|endoftext|> 作为初始的 token。我们称之为 \<s>)。
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在漫无目的情况下,我们可以简单地给它输入一个特殊的\<s>初始token,让它开始生成单词。如下图所示:
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图:拆解GPT2初始token
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图:GPT2初始token
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模型只有一个输入的 token,因此只有一条活跃路径。token 在所有层中依次被处理,然后沿着该路径生成一个向量。这个向量可以根据模型的词汇表计算出一个分数(模型知道所有的 单词,在 GPT-2 中是 5000 个词)。在这个例子中,我们选择了概率最高的 the。但我们可以把事情搞混--你知道如果一直在键盘 app 中选择建议的单词,它有时候会陷入重复的循环中,唯一的出路就是点击第二个或者第三个建议的单词。同样的事情也会发生在这里,GPT-2 有一个 top-k 参数,我们可以使用这个参数,让模型考虑第一个词(top-k =1)之外的其他词。
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由于模型只有一个输入,因此只有一条活跃路径。\<s> token在所有Decoder层中依次被处理,然后沿着该路径生成一个向量。根据这个向量和模型的词汇表给所有可能的词计算出一个分数。在下图的例子中,我们选择了概率最高的 the。下一步,我们把第一步的输出添加到我们的输入序列,然后让模型做下一个预测。
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下一步,我们把第一步的输出添加到我们的输入序列,然后让模型做下一个预测。
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动态图:拆解GPT2
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动态图:拆解GPT2
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请注意,第二条路径是此计算中唯一活动的路径。GPT-2 的每一层都保留了它自己对第一个 token 的解释,而且会在处理第二个 token 时使用它(我们会在接下来关于 Self Attention 的章节中对此进行更详细的介绍)。GPT-2 不会根据第二个 token 重新计算第一个 token。
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请注意,第二条路径是此计算中唯一活动的路径。GPT-2 的每一层都保留了它对第一个 token所编码的信息,而且会在处理第二个 token 时直接使用它:GPT-2 不会根据第2个 token 重新计算第一个 token。
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不断重复上述步骤,就可以生成更多的单词了。
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### 深入理解 GPT2 的更多细节
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### GPT2详解
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**输入编码**
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#### 输入编码
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让我们更深入地了解模型。首先从输入开始。与之前我们讨论的其他 NLP 模型一样,GPT-2 在嵌入矩阵中查找输入的单词的对应的 embedding 向量--这是我们从训练好的模型中得到的组件之一。
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现在我们更深入了解和学习GPT,先看从输入开始。与之前我们讨论的其他 NLP 模型一样,GPT-2 在嵌入矩阵中查找输入的单词的对应的 embedding 向量。如下图所示:每一行都是词的 embedding:这是一个数值向量,可以表示一个词并捕获一些含义。这个向量的大小在不同的 GPT-2 模型中是不同的。最小的模型使用的 embedding 大小是 768。
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图:token embedding
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图:token embedding
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每一行都是词的 embedding:这是一个数字列表,可以表示一个词并捕获一些含义。这个列表的大小在不同的 GPT-2 模型中是不同的。最小的模型使用的 embedding 大小是 768
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于是在开始时,我们会在嵌入矩阵查找第一个 token \<s> 的 embedding。在把这个 embedding 传给模型的第一个模块之前,我们还需要融入位置编码(参考篇章2.2详解Transformer),这个位置编码能够指示单词在序列中的顺序。
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因此在开始时,我们会在嵌入矩阵查找第一个 token \<s> 的 embedding。在把这个 embedding 传给模型的第一个模块之前,我们需要融入位置编码,这个位置编码能够指示单词在序列中的顺序。训练好的模型中,有一部分是一个矩阵,这个矩阵包括了 1024 个位置中每个位置的位置编码向量。
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图:位置编码
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图:位置编码
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在这里,我们讨论了输入单词在传递到第一个 Transformer 模块之前,是如何被处理的。我们还知道,训练好的 GPT-2 包括两个权重矩阵。
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图: token+position
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图: token+position
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把一个单词输入到 Transformer 的第一个模块,意味着寻找这个单词的 embedding,并且添加第一个位置的位置编码向量
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于是输入的处理:得到词向量+位置编码
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**在这些层中向上流动**
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#### 多层Decoder
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第一个模块现在可以处理 token,首先通过 Self Attention 层,然后通过神经网络层。一旦 Transformer 的第一个模块处理了 token,会得到一个结果向量,这个结果向量会被发送到堆栈的下一个模块处理。每个模块的处理过程都是相同的,不过每个模块都有自己的 Self Attention 和神经网络层。
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第一层Decoder现在可以处理 \<s> token所对应的向量了:首先通过 Self Attention 层,然后通过全连接神经网络。一旦Transformer 的第1个Decoder处理了\<s> token,依旧可以得到一个向量,这个结果向量会再次被发送到下一层Decoder。
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图:向上流动
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图:多层编码
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**回顾 Self-Attention**
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#### Decoder中的Self-Attention
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语言严重依赖于上下文。例如,看看下面的第二定律:
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Decoder中包含了Masked Self-Attention,由于Mask的操作可以独立进行,于是我们先独立回顾一下self-attention操作。语言严重依赖于上下文。给个例子:
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机器人第二定律
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机器人第2定律:机器人必须服从人给予 它 的命令,当 该命令 与 第一定律 冲突时例外。
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机器人必须服从人给予 它 的命令,当 该命令 与 第一定律 冲突时例外。
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我在句子中高亮了 3 个部分,这些部分的词是用于指代其他的词。如果不结合它们所指的上下文,就无法理解或者处理这些词。当一个模型处理这个句子,它必须能够知道:
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例句中包含了多个代词。如果不结合它们所指的上下文,就无法理解或者处理这些词。当一个模型处理这个句子,它必须能够知道:
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- 它 指的是机器人
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- 它 指的是机器人
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- 该命令 指的是这个定律的前面部分,也就是 人给予 它 的命令
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- 该命令 指的是这个定律的前面部分,也就是 人给予 它 的命令
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- 第一定律 指的是机器人第一定律
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- 第一定律 指的是机器人第一定律
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这就是 Self Attention 所做的事。它在处理某个词之前,将模型对这个词的相关词和关联词的理解融合起来(并输入到一个神经网络)。它通过对句子片段中每个词的相关性打分,并将这些词的表示向量加权求和。
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self-attention所做的事情是:它通过对句子片段中每个词的相关性打分,并将这些词的表示向量根据相关性加权求和,从而让模型能够将词和其他相关词向量的信息融合起来。
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举个例子,下图顶部模块中的 Self Attention 层在处理单词 `it` 的时候关注到` a robot`。它传递给神经网络的向量,是 3 个单词和它们各自分数相乘再相加的和。
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举个例子,如下图所示,最顶层的Decoder中的 Self Attention 层在处理单词 `it` 的时候关注到` a robot`。于是self-attention传递给后续神经网络的`it` 向量,是3个单词对应的向量和它们各自分数的加权和。
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图:it的attention
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图:it的attention
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**Self-Attention 过程**
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**Self-Attention 过程**
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Self-Attention 沿着句子中每个 token 的路径进行处理,主要组成部分包括 3 个向量。
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Self-Attention 沿着句子中每个 token 进行处理,主要组成部分包括 3 个向量。
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- Query:Query 向量是当前单词的表示,用于对其他所有单词(使用这些单词的 key 向量)进行评分。我们只关注当前正在处理的 token 的 query 向量。
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- Query:Query 向量是由当前词的向量表示获得,用于对其他所有单词(使用这些单词的 key 向量)进行评分。
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- Key:Key 向量就像句子中所有单词的标签。它们就是我们在搜索单词时所要匹配的。
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- Key:Key 向量由句子中的所有单词的向量表示获得,可以看作一个标识向量。
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- Value:Value 向量是实际的单词表示,一旦我们对每个词的相关性进行了评分,我们需要对这些向量进行加权求和,从而表示当前的词。
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- Value:Value 向量在self-attention中与Key向量其实是相同的。
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图: query
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图: query
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一个粗略的类比是把它看作是在一个文件柜里面搜索,Query 向量是一个便签,上面写着你正在研究的主题,而 Key 向量就像是柜子里的文件夹的标签。当你将便签与标签匹配时,我们取出匹配的那些文件夹的内容,这些内容就是 Value 向量。但是你不仅仅是寻找一个 Value 向量,而是在一系列文件夹里寻找一系列 Value 向量。
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将 Query 向量与每个文件夹的 Key 向量相乘,会为每个文件夹产生一个分数(从技术上来讲:就是点积后面跟着 softmax)。
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一个粗略的类比是把它看作是在一个文件柜里面搜索,Query 向量是一个便签,上面写着你正在研究的主题,而 Key 向量就像是柜子里的文件夹的标签。当你将便签与标签匹配时,我们取出匹配的那些文件夹的内容,这些内容就是 Value 向量。但是你不仅仅是寻找一个 Value 向量,而是找到一系列Value 向量。
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将 Query 向量与每个文件夹的 Key 向量相乘,会为每个文件夹产生一个分数(从技术上来讲:点积后面跟着 softmax)。
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图: score
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图: score
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我们将每个 Value 向量乘以对应的分数,然后求和,得到 Self Attention 的输出。
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我们将每个 Value 向量乘以对应的分数,然后求和,就得到了得到 Self Attention 的输出。
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图:Self Attention 的输出
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图:Self Attention 的输出
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这些加权的 Value 向量会得到一个向量,它将 50% 的注意力放到单词 robot 上,将 30% 的注意力放到单词 a,将 19% 的注意力放到单词 it。在下文中,我们会更加深入 Self Attention,但现在,首先让我们继续在模型中往上走,直到模型的输出。
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这些加权的 Value 向量会得到一个向量,比如上图,它将 50% 的注意力放到单词 robot 上,将 30% 的注意力放到单词 a,将 19% 的注意力放到单词 it。
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而所谓的Masked self attention指的的是:将mask位置对应的的attention score变成一个非常小的数字或者0,让其他单词再self attention的时候(加权求和的时候)不考虑这些单词。
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**模型输出**
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**模型输出**
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当模型顶部的模块产生输出向量时(这个向量是经过 Self Attention 层和神经网络层得到的),模型会将这个向量乘以嵌入矩阵。
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当模型顶部的Decoder层产生输出向量时(这个向量是经过 Self Attention 层和神经网络层得到的),模型会将这个向量乘以一个巨大的嵌入矩阵(vocab size x embedding size)来计算该向量和所有单词embedding向量的相关得分。
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图:顶部的模块产生输出
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图:顶部的模块产生输出
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回忆一下,嵌入矩阵中的每一行都对应于模型词汇表中的一个词。这个相乘的结果,被解释为模型词汇表中每个词的分数。
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回忆一下,嵌入矩阵中的每一行都对应于模型词汇表中的一个词。这个相乘的结果,被解释为模型词汇表中每个词的分数,经过softmax之后被转换成概率。
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图:token概率
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图:token概率
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我们可以选择最高分数的 token(top_k=1)。但如果模型可以同时考虑其他词,那么可以得到更好的结果。所以一个更好的策略是把分数作为单词的概率,从整个列表中选择一个单词(这样分数越高的单词,被选中的几率就越高)。一个折中的选择是把 top_k 设置为 40,让模型考虑得分最高的 40 个词。
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我们可以选择最高分数的 token(top_k=1),也可以同时考虑其他词(top k)。假设每个位置输出k个token,假设总共输出n个token,那么基于n个单词的联合概率选择的输出序列会更好。
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图:top k选择输出
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图:top 1选择输出
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这样,模型就完成了一次迭代,输出一个单词。模型会继续迭代,直到所有的上下文都已经生成(1024 个 token),或者直到输出了表示句子末尾的 token。
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这样,模型就完成了一次迭代,输出一个单词。模型会继续迭代,直到所有的单词都已经生成,或者直到输出了表示句子末尾的 token。
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### GPT2 总结
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## 详解Self-Attention
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现在我们基本知道了 GPT-2 是如何工作的。如果你想知道 Self Attention 层里面到底发生了什么,那么文章接下来的额外部分就是为你准备的,我添加这个额外的部分,来使用更多可视化解释 Self Attention,以便更加容易讲解后面的 Transformer 模型(TransformerXL 和 XLNet)。
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现在我们基本知道了 GPT-2 是如何工作的。如果你想知道 Self Attention 层里面到底发生了什么,那么文章接下来的额外部分就是为你准备的,我添加这个额外的部分,来使用更多可视化解释 Self Attention,
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我想在这里指出文中一些过于简化的说法:
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在这里指出文中一些过于简化的说法:
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- 我在文中交替使用 token 和 词。但实际上,GPT-2 使用 Byte Pair Encoding 在词汇表中创建 token。这意味着 token 通常是词的一部分。
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- 我在文中交替使用 token 和 词。但实际上,GPT-2 使用 Byte Pair Encoding 在词汇表中创建 token。这意味着 token 通常是词的一部分。
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- 我们展示的例子是在推理模式下运行。这就是为什么它一次只处理一个 token。在训练时,模型将会针对更长的文本序列进行训练,并且同时处理多个 token。同样,在训练时,模型会处理更大的 batch size,而不是推理时使用的大小为 1 的 batch size。
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- 我们展示的例子是在推理模式下运行。这就是为什么它一次只处理一个 token。在训练时,模型将会针对更长的文本序列进行训练,并且同时处理多个 token。同样,在训练时,模型会处理更大的 batch size,而不是推理时使用的大小为 1 的 batch size。
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@ -221,16 +224,15 @@ Self-Attention 沿着句子中每个 token 的路径进行处理,主要组成
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图:输入与输出维度
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图:输入与输出维度
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## 可视化 Self-Attention
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### 可视化Self-Attention
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在这篇文章的前面,我们使用了这张图片来展示,如何在一个层中使用 Self Attention,这个层正在处理单词 `it`。
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在这篇文章的前面,我们使用了这张图片来展示:Self Attention如何处理单词 `it`。
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图:it的attention
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图:it的attention
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在这一节,我们会详细介绍如何实现这一点。请注意,我们会讲解清楚每个单词都发生了什么。这就是为什么我们会展示大量的单个向量。而实际的代码实现,是通过巨大的矩阵相乘来完成的。但我想把重点放在词汇层面上。
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在这一节,我们会详细介绍如何实现这一点。请注意,我们会讲解清楚每个单词都发生了什么。这就是为什么我们会展示大量的单个向量,而实际的代码实现,是通过巨大的矩阵相乘来完成的。
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### Self-Attention
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让我们看看一个简答的Transformer,假设它一次只能处理 4 个 token。
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让我们先看看原始的 Self Attention,它被用在 Encoder 模块中进行计算。让我们看看一个玩具 Transformer,它一次只能处理 4 个 token。
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Self-Attention 主要通过 3 个步骤来实现:
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Self-Attention 主要通过 3 个步骤来实现:
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@ -265,19 +267,21 @@ Self-Attention 主要通过 3 个步骤来实现:
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图:汇总
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图:汇总
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### 图解 Masked Self_attention
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### 图解Masked Self-attention
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现在,我们已经了解了 Transformer 的 Self Attention 步骤,现在让我们继续研究 masked Self Attention。Masked Self Attention 和 Self Attention 是相同的,除了第 2 个步骤。假设模型只有 2 个 token 作为输入,我们正在观察(处理)第二个 token。在这种情况下,最后 2 个 token 是被屏蔽(masked)的。所以模型会干扰评分的步骤。它基本上总是把未来的 token 评分为 0,因此模型不能看到未来的词:
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现在,我们已经了解了 Transformer 的 Self Attention 步骤,现在让我们继续研究 masked Self Attention。Masked Self Attention 和 Self Attention 是相同的,除了第 2 个步骤。
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现在假设模型有2个 token 作为输入,我们正在观察(处理)第二个 token。在这种情况下,最后 2 个 token 是被屏蔽(masked)的。所以模型会干扰评分的步骤。它总是把未来的 token 评分设置为0,因此模型不能看到未来的词,如下图所示:
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图:masked self attention
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图:masked self attention
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这个屏蔽(masking)经常用一个矩阵来实现,称为 attention mask。想象一下有 4 个单词的序列(例如,机器人必须遵守命令)。在一个语言建模场景中,这个序列会分为 4 个步骤处理--每个步骤处理一个词(假设现在每个词是一个 token)。由于这些模型是以 batch size 的形式工作的,我们可以假设这个玩具模型的 batch size 为 4,它会将整个序列作(包括 4 个步骤)为一个 batch 处理。
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这个屏蔽(masking)经常用一个矩阵来实现,称为 attention mask矩阵。依旧以4个单词的序列为例(例如:robot must obay orders)。在一个语言建模场景中,这个序列会分为 4 个步骤处理:每个步骤处理一个词(假设现在每个词就是是一个token)。另外,由于模型是以 batch size 的形式工作的,我们可以假设这个简单模型的 batch size 为4,它会将4个序列生成任务作为一个 batch 处理,如下图所示,左边是输入,右边是label。
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图:masked 矩阵
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图:batch形式的输入和输出
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在矩阵的形式中,我们把 Query 矩阵和 Key 矩阵相乘来计算分数。让我们将其可视化如下,不同的是,我们不使用单词,而是使用与格子中单词对应的 Query 矩阵(或者 Key 矩阵)。
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在矩阵的形式中,我们使用Query 矩阵和 Key 矩阵相乘来计算分数。将其可视化如下。但注意,单词无法直接进行矩阵运算,所以下图的单词还需要对应成一个向量。
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图:Query矩阵
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图:Query和Keys的相关矩阵
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在做完乘法之后,我们加上三角形的 attention mask。它将我们想要屏蔽的单元格设置为负无穷大或者一个非常大的负数(例如 GPT-2 中的 负十亿):
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在做完乘法之后,我们加上三角形的 attention mask。它将我们想要屏蔽的单元格设置为负无穷大或者一个非常大的负数(例如 GPT-2 中的 负十亿):
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@ -293,16 +297,17 @@ Self-Attention 主要通过 3 个步骤来实现:
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- 当模型处理数据集中的第 2 个数据(第 2 行),其中包含着单词(robot must)。当模型处理单词 must,它将 48% 的注意力集中在 robot,将 52% 的注意力集中在 must。
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- 当模型处理数据集中的第 2 个数据(第 2 行),其中包含着单词(robot must)。当模型处理单词 must,它将 48% 的注意力集中在 robot,将 52% 的注意力集中在 must。
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- 诸如此类,继续处理后面的单词。
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- 诸如此类,继续处理后面的单词。
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到目前为止,我们就搞明白了mask self attention啦。
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### GPT2 的 Self-Attention
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### GPT2中的Self-Attention
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让我们更详细地了解 GPT-2 的 masked attention。
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让我们更详细地了解 GPT-2的masked self attention。
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*评价模型:每次处理一个 token*
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*模型预测的时候:每次处理一个 token*
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我们可以让 GPT-2 像 mask Self Attention 一样工作。但是在评价模型时,当我们的模型在每次迭代后只添加一个新词,那么对于已经处理过的 token 来说,沿着之前的路径重新计算 Self Attention 是低效的。
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但我们用模型进行预测的时候,模型在每次迭代后只添加一个新词,那么对于已经处理过的token来说,沿着之前的路径重新计算 Self Attention 是低效的。那么GPT-2是如何实现高效处理的呢?
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在这种情况下,我们处理第一个 token(现在暂时忽略 \<s>)。
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先处理第一个token a,如下图所示(现在暂时忽略 \<s>)。
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图:gpt2第一个token
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图:gpt2第一个token
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@ -316,40 +321,38 @@ GPT-2 保存 token `a` 的 Key 向量和 Value 向量。每个 Self Attention
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`(1) 创建 Query、Key 和 Value 矩阵`
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`(1) 创建 Query、Key 和 Value 矩阵`
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让我们假设模型正在处理单词 `it`。如果我们讨论最下面的模块(对于最下面的模块来说),这个 token 对应的输入就是 `it` 的 embedding 加上第 9 个位置的位置编码:
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让我们假设模型正在处理单词 `it`。进入Decoder之前,这个 token 对应的输入就是 `it` 的 embedding 加上第 9 个位置的位置编码:
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图:处理it
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图:处理it
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Transformer 中每个模块都有它自己的权重(在后文中会拆解展示)。我们首先遇到的权重矩阵是用于创建 Query、Key、和 Value 向量的。
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Transformer 中每个层都有它自己的参数矩阵(在后文中会拆解展示)。embedding向量我们首先遇到的权重矩阵是用于创建 Query、Key、和 Value 向量的。
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图:处理it
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图:处理it
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Self-Attention 将它的输入乘以权重矩阵(并添加一个 bias 向量,此处没有画出)
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Self-Attention 将它的输入乘以权重矩阵(并添加一个 bias 向量,此处没有画出)
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这个相乘会得到一个向量,这个向量基本上是 Query、Key 和 Value 向量的拼接。
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这个相乘会得到一个向量,这个向量是 Query、Key 和 Value 向量的拼接。
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图:处理it
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图:Query、Key 和 Value
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将输入向量与 attention 权重向量相乘(并加上一个 bias 向量)得到这个 token 的 Key、Value 和 Query 向量拆分为 attention heads。
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得到Query、Key和Value向量之后,我们将其拆分multi-head,如下图所示。其实本质上就是将一个大向量拆分为多个小向量。
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在之前的例子中,我们只关注了 Self Attention,忽略了 multi-head 的部分。现在对这个概念做一些讲解是非常有帮助的。Self-attention 在 Q、K、V 向量的不同部分进行了多次计算。拆分 attention heads 只是把一个长向量变为矩阵。小的 GPT-2 有 12 个 attention heads,因此这将是变换后的矩阵的第一个维度:
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图:multi head
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图:处理it
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为了更好的理解multi head,我们将其进行如下展示:
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在之前的例子中,我们研究了一个 attention head 的内部发生了什么。理解多个 attention-heads 的一种方法,是像下面这样(如果我们只可视化 12 个 attention heads 中的 3 个):
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图:处理it
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图:multi head
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`(2) 评分`
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`(2) 评分`
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我们现在可以继续进行评分,这里我们只关注一个 attention head(其他的 attention head 也是在进行类似的操作)。
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我们现在可以继续进行评分,假设我们只关注一个 attention head(其他的 attention head 也是在进行类似的操作)。
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图:处理it
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图:打分
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现在,这个 token 可以根据其他所有 token 的 Key 向量进行评分(这些 Key 向量是在前面一个迭代中的第一个 attention head 计算得到的):
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现在,这个 token 可以根据其他所有 token 的 Key 向量进行评分(这些 Key 向量是在前面一个迭代中的第一个 attention head 计算得到的):
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图:
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图: 加权和
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`(3) 求和`
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`(3) 求和`
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@ -359,19 +362,19 @@ Self-Attention 将它的输入乘以权重矩阵(并添加一个 bias 向量
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`合并 attention heads`
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`合并 attention heads`
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我们处理各种注意力的方法是首先把它们连接成一个向量:
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multi head对应得到多个加权和向量,我们将他们都再次拼接起来:
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图:处理it
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图:拼接multi head多个加权和向量
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但这个向量还没有准备好发送到下一个子层(向量的长度不对)。我们首先需要把这个隐层状态的巨大向量转换为同质的表示。
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再将得到的向量经过一个线性映射得到想要的维度,随后输入全连接网络。
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`(4) 映射(投影)`
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`(4) 映射(投影)`
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我们将让模型学习如何将拼接好的 Self Attention 结果转换为前馈神经网络能够处理的形状。在这里,我们使用第二个巨大的权重矩阵,将 attention heads 的结果映射到 Self Attention 子层的输出向量:
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我们将让模型学习如何将拼接好的 Self Attention 结果转换为前馈神经网络能够处理的输入。在这里,我们使用第二个巨大的权重矩阵,将 attention heads 的结果映射到 Self Attention 子层的输出向量:
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图:映射
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图:映射
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通过这个,我们产生了一个向量,我们可以把这个向量传给下一层:
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通过以上步骤,我们产生了一个向量,我们可以把这个向量传给下一层:
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图:传给下一层
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图:传给下一层
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@ -379,7 +382,7 @@ Self-Attention 将它的输入乘以权重矩阵(并添加一个 bias 向量
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`第 1 层`
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`第 1 层`
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全连接神经网络是用于处理 Self Attention 层的输出,这个输出的表示包含了合适的上下文。全连接神经网络由两层组成。第一层是模型大小的 4 倍(由于 GPT-2 small 是 768,因此这个网络会有3072个神经元)。为什么是四倍?这只是因为这是原始 Transformer 的大小(如果模型的维度是 512,那么全连接神经网络中第一个层的维度是 2048)。这似乎给了 Transformer 足够的表达能力,来处理目前的任务。
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全连接神经网络是用于处理 Self Attention 层的输出,这个输出的表示包含了合适的上下文。全连接神经网络由两层组成。第一层是模型大小的 4 倍(由于 GPT-2 small 是 768,因此这个网络会有3072个神经元)。
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动态图:全连接层
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动态图:全连接层
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@ -394,11 +397,9 @@ Self-Attention 将它的输入乘以权重矩阵(并添加一个 bias 向量
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没有展示 bias 向量
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没有展示 bias 向量
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你完成了!
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总结一下,我们的输入会遇到下面这些权重矩阵:
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这就是我们讨论的 Transformer 的最详细的版本!现在,你几乎已经了解了 Transformer 语言模型内部发生了什么。总结一下,我们的输入会遇到下面这些权重矩阵:
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图:汇总
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图:
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每个模块都有它自己的权重。另一方面,模型只有一个 token embedding 矩阵和一个位置编码矩阵。
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每个模块都有它自己的权重。另一方面,模型只有一个 token embedding 矩阵和一个位置编码矩阵。
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@ -410,9 +411,9 @@ Self-Attention 将它的输入乘以权重矩阵(并添加一个 bias 向量
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图:总结
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图:总结
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由于某些原因,它们加起来是 124 M,而不是 117 M。我不确定这是为什么,但这个就是在发布的代码中展示的大小(如果我错了,请纠正我)。
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由于某些原因,它们加起来是 124 M,而不是 117 M。我不确定这是为什么,但这个就是在发布的代码中展示的大小(如果我错了,请纠正我)。
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## 语言模型之外
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## 语言模型应用
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只有 Decoder 的 Transformer 在语言模型之外一直展现出不错的应用。它已经被成功应用在了许多应用中,我们可以用类似上面的可视化来描述这些成功应用。让我们看看这些应用,作为这篇文章的结尾。
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只有 Decoder 的 Transformer 在语言模型之外一直展现出不错的效果。它已经被成功应用在了许多应用中,我们可以用类似上面的可视化来描述这些成功应用。让我们看看这些应用,作为这篇文章的结尾。
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### 机器翻译
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### 机器翻译
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@ -464,5 +465,5 @@ Music Transformer(https://magenta.tensorflow.org/music-transformer) 论文使用
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## 致谢
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## 致谢
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主要由哈尔滨工业大学张贤同学翻译(经过原作者授权)撰写,由本项目同学组织和整理。
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主要由哈尔滨工业大学张贤同学翻译(经过原作者授权)撰写,由多多同学组织和整理。
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