自然语言处理中的注意力机制是干什么的？

王小新 编译自Quora 量子位 出品 | 公众号 QbitAI

谈神经网络中注意力机制的论文和博客都不少，但很多人还是不知道从哪看起。于是，在国外问答网站Quora上就有了这个问题：如何在自然语言处理中引入注意力机制？

Quora自家负责NLP和ML的技术主管Nikhil Dandekar做出了一个简要的回答：

概括地说，在神经网络实现预测任务时，引入注意力机制能使训练重点集中在输入数据的相关部分，忽略无关部分。

注意力是指人的心理活动指向和集中于某种事物的能力。比如说，你将很长的一句话人工从一种语言翻译到另一种语言，在任何时候，你最关注的都是当时正在翻译的词或短语，与它在句子中的位置无关。在神经网络中引入注意力机制，就让它也学会了人类这种做法。

注意力机制最经常被用于序列转换（Seq-to-Seq）模型中。如果不引入注意力机制，模型只能以单个隐藏状态单元，如下图中的S，去捕获整个输入序列的本质信息。这种方法在实际应用中效果很差，而且输入序列越长，这个问题就越糟糕。

图1：仅用单个S单元连接的序列转换模型

注意力机制在解码器（Decoder）运行的每个阶段中，通过回顾输入序列，来增强该模型效果。解码器的输出不仅取决于解码器最终的状态单元，还取决于所有输入状态的加权组合。

图2：引入注意力机制的序列转换模型

注意力机制的引入增加了网络结构的复杂性，其作为标准训练模型时的一部分，通过反向传播进行学习。这在网络中添加模块就能实现，不需要定义函数等操作。

下图的例子，是将英语翻译成法语。在输出翻译的过程中，你可以看到该网络“注意”到输入序列的不同部分。

图3：翻译网络示意图

由于英语和法语语序比较一致，从网络示意图可以看出，除了在把短语“European Economic Zone(欧洲经济区)”翻译成法语“zone économique européenne”时，网络线有部分交叉，在大多数时，解码器都是按照顺序来“注意”单词的。

文中配图来自Distill

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Attention and Augmented Recurrent Neural Networks http://distill.pub/2016/augmented-rnns/

Attention and Memory in Deep Learning and NLP http://www.wildml.com/2016/01/attention-and-memory-in-deep-learning-and-nlp/

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