[人工智能]pytorch的transformer实现

整体结构

transformer是一个encoeder decoder结构， 像是seq2seq一样， 但seq2seq 最大的问题在于将 Encoder 端的所有信息压缩到一个固定长度的向量中，并将其作为 Decoder 端首个隐藏状态的输入，来预测 Decoder 端第一个单词 (token) 的隐藏状态。在输入序列比较长的时候，这样做显然会损失 Encoder 端的很多信息，而且这样一股脑的把该固定向量送入 Decoder 端，Decoder 端不能够关注到其想要关注的信息。Transformer 不但对 seq2seq 模型这两点缺点有了实质性的改进 (多头交互式 attention 模块)，而且还引入了 self-attention 模块，让源序列和目标序列首先 “自关联” 起来，这样的话，源序列和目标序列自身的 embedding 表示所蕴含的信息更加丰富，而且后续的 FFN 层也增强了模型的表达能力，并且 Transformer 并行计算的能力远远超过了 seq2seq 系列模型。 来源
我们接下来逐一解释。

1. Positional Encoding $ Input Embedding

Transformer 是以字作为输入，将字进行字嵌入之后，再与位置嵌入进行相加（不是拼接，就是单纯的对应位置上的数值进行加和）
由于 Transformer 模型没有循环神经网络的迭代操作，所以我们必须提供每个字的位置信息给 Transformer，这样它才能识别出语言中的顺序关系。 就比如一句话，I love you, 这里每个字都是有位置信息的，是字而不是字母。就是图中红框部分，为每个字添加位置信息。
Embedding是因为一开始seq序列中的每个字并没有一个向量来表示它， 一开始的输入维度假如是[batch_size sequence_length], 经过embedding后变为[batch_size sequence_length embedding_dim], 如图中绿框部分
因为是位置信息与embedding信息进行加和, 所以其维度是一致的, 都是[batch_size sequence_length embedding_dim]

如果让我们从 0 开始设计一个 Positional Encoding，比较容易想到的第一个方法是取 [0,1] 之间的数分配给每个字，其中 0 给第一个字，1 给最后一个字，具体公式就是 $PE\text{=}\frac{pos}{T?1}$, $pos\in [0,T\text{-}1]$。
这样做的问题在于，假设在较短文本中任意两个字位置编码的差为 0.0333，同时在某一个较长文本中也有两个字的位置编码的差是 0.0333。假设较短文本总共 30 个字，那么较短文本中的这两个字其实是相邻的；假设较长文本总共 90 个字，那么较长文本中这两个字中间实际上隔了两个字。这显然是不合适的，因为相同的差值，在不同的句子中却不是同一个含义

另一个想法是线性的给每个时间步分配一个数字，也就是说，第一个单词被赋予 1，第二个单词被赋予 2，依此类推。这种方式也有很大的问题：1. 它比一般的字嵌入的数值要大，难免会抢了字嵌入的「风头」，对模型可能有一定的干扰；2. 最后一个字比第一个字大太多，和字嵌入合并后难免会出现特征在数值上的倾斜

理想情况下，位置嵌入的设计应该满足以下条件：

• 它应该为每个字输出唯一的编码
• 不同长度的句子之间，任何两个字之间的差值应该保持一致
• 它的值应该是有界的

Transformer中的位置嵌入不是一个数字, ，而是一个包含句子中特定位置信息的 $d$ 维向量, 因为要和embedding后相加, 所以$d$ 其实就是embedding的维度. 这部分的公式如下:
pos表示单词在句子中的绝对位置，pos=0，1，2…，例如：Jerry在"Tom chase Jerry"中的pos=2；dmodel表示词向量的维度，在这里dmodel=512；2i和2i+1表示奇偶性，i表示词向量中的第几维，例如这里dmodel=512，故i=0，1，2…255。 注意i的取值范围, 小于一半, 很容易理解.

这样每个索引就会分配一个d维的位置向量

最终结果如图: