浅谈Attention-based Model【原理篇】

计划分为三个部分： 浅谈Attention-based Model【原理篇】（你在这里） 浅谈Attention-based Model【源码篇】 浅谈Attention-based Model【实践篇】

0. 前言

看了台大的李宏毅老师关于Attention部分的内容，这一部分讲的不错（其实李宏毅老师其它部分的内容也不错，比较幽默，安利一下），记录一下，本博客的大部分内容据来自李宏毅老师的授课资料：Attention-based Model。如发现有误，望不吝赐教。

1. 为什么需要Attention

最基本的seq2seq模型包含一个encoder和一个decoder，通常的做法是将一个输入的句子编码成一个固定大小的state，然后作为decoder的初始状态（当然也可以作为每一时刻的输入），但这样的一个状态对于decoder中的所有时刻都是一样的。 attention即为注意力，人脑在对于的不同部分的注意力是不同的。需要attention的原因是非常直观的，比如，我们期末考试的时候，我们需要老师划重点，划重点的目的就是为了尽量将我们的attention放在这部分的内容上，以期用最少的付出获取尽可能高的分数；再比如我们到一个新的班级，吸引我们attention的是不是颜值比较高的人？普通的模型可以看成所有部分的attention都是一样的，而这里的attention-based model对于不同的部分，重要的程度则不同。

2. Attention-based Model是什么

Attention-based Model其实就是一个相似性的度量，当前的输入与目标状态越相似，那么在当前的输入的权重就会越大，说明当前的输出越依赖于当前的输入。严格来说，Attention并算不上是一种新的model，而仅仅是在以往的模型中加入attention的思想，所以Attention-based Model或者Attention Mechanism是比较合理的叫法，而非Attention Model。

没有attention机制的encoder-decoder结构通常把encoder的最后一个状态作为decoder的输入（可能作为初始化，也可能作为每一时刻的输入），但是encoder的state毕竟是有限的，存储不了太多的信息，对于decoder过程，每一个步骤都和之前的输入都没有关系了，只与这个传入的state有关。attention机制的引入之后，decoder根据时刻的不同，让每一时刻的输入都有所不同。

再引用tensorflow源码attention_decoder()函数关于attention的注释：

“In this context ‘attention’ means that, during decoding, the RNN can look up information in the additional tensor attention_states, and it does this by focusing on a few entries from the tensor.”

3. Attention

对于机器翻译来说，比如我们翻译“机器学习”,在翻译“machine”的时候，我们希望模型更加关注的是“机器”而不是“学习”。那么，就从这个例子开始说吧（以下图片均来自上述课程链接的slides）

这里写图片描述

对于“match”, 理论上任何可以计算两个向量的相似度都可以，比如：

现在我们已经由match模块算出了当前输入输出的匹配度，然后我们需要计算当前的输出（实际为decoder端的隐状态）和每一个输入做一次match计算，分别可以得到当前的输出和所有输入的匹配度，由于计算出来并没有归一化，所以我们使用softmax，使其输出时所有权重之和为1。那么和每一个输入的权重都有了（由于下一个输出为“machine”，我们希望第一个权重和第二个权权重越大越好），那么我们可以计算出其加权向量和，作为下一次的输入。

这里有一个问题：就是如果match用后面的两种，那么参数应该怎么学呢？

如下图所示：

这里写图片描述

这里写图片描述

再看看Grammar as a Foreign Language一文当中的公式：

这里写图片描述

4. 遗留问题

本来我们已经结束了，但是仔细想想，其实还有一个地方有所疑问。就是加入match是一个简单地神经网络或者一个矩阵，神经网络的权值和矩阵里面的值怎么来？

5. to be continued

最近在用双向LSTM加上attention做知乎的比赛，但目前效果不是很好，具体等待比赛结束之后再详细记录。