AAAI 2021最佳论文Runners Up！Transformer的归因探索！

Amusi

发布于 2021-04-23 10:04:23

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发布于 2021-04-23 10:04:23

文章被收录于专栏：CVer

本文转载自：炼丹笔记

作者：一元，四品炼丹师

Self-Attention Attribution: Interpreting Information Interactions Inside Transformer（AAAI21）

论文：https://arxiv.org/abs/2004.11207

问题背景

在之前大家对于Transformer的理解都是，Transformer的成功得益于强大Multi-head自注意机制，从输入中学习token之间的依赖关系以及编码上下文信息。我们都很难解释输入特性如何相互作用以实现预测的。Attention计算得到的分数也并不能完美的解释这些交互作用，本文提出一种自我注意归因方法来解释Transformer内部的信息交互。我们以Bert为例进行研究。首先，我们利用自我注意归因来识别重要的注意头，其它注意头会随着边际效果的下降而被剪掉。此外，我们提取了每个层中最显著的依赖关系，构造了一个属性树，揭示了Transformer内部的层次交互。最后，我们证明了归因结果可以作为对抗模式来实现对BERT的非目标攻击。

那么该方案是怎么做的呢？

方案

1.背景知识

给定输入, 我们将word的embedding打包成一个矩阵, 叠加的层Transformer通过

X^l = Transformer_l(X^{l-1}), l \in [1,L]

的方式计算得到最终的输出。

这其中最为核心的就是Multi-head的self-attention，self-attention的第个head为：

Q_h = XW_h^Q, K = XW_h^K, V= XW_h^V \\ A_h = softmax(\frac{Q_hK_h^T}{\sqrt{d_k}}) \\ H_h = AttentionHead(X) = A_hV_h \\ Q,K \in \mathbb{R}^{n*d_k}, V \in \mathbb{R}^{n*d_v}

其中，表示有多关注,此处我们假设为attention heads的个数，最终multi-head attention可以通过下面的形式得到：

MultiH(X) = [H_1,...,H_{|h|}]W^o

其中，，表示链接的意思。

2.Self-Attention Attribution

上图左侧是微调后的BERT中一个头部的注意力分数。我们观察到：

注意力得分矩阵是相当密集的，虽然只有一个12个head。这很难让我们去理解单词在Transformer中是如何相互作用的。
此外，即使注意力分数很大，也不意味着这对词对决策建模很重要；
相比之下，我们的目标是将模型决策归因于自我注意关系，如果交互作用对最终预测的贡献更大，那么自我注意关系往往会给出更高的分数。

给定输入,表示Transformer模型，它将attention权重矩阵作为模型输入，此处，我们操纵内部注意得分，并观察相应的模型动态来检验单词交互的贡献。由于属性总是针对一个给定的输入，为了简单起见，我们此处省略它。

我们计算第个attention head的时候，我们先得到我们的归因得分矩阵。

A = [A_1,...,A_{[h]}]

Attr_h(A) =A_h \odot \int_{\alpha=0}^1 \frac{\partial F(\alpha A)}{\partial A_h}d_{\alpha} \in \mathbb{R}^{n*m}

其中表示element-wise的乘法，表示第个attention权重矩阵，计算模型关于的梯度，所以的第个元素就是关于第个attention head的token 和token 交互计算的。

表示在一个层中，所有token都不相互关注。当从0变为1时，

如果注意联系，对模型预测有较大影响，其梯度也会越加显著，因此积分值也会较大。

直观地说，不仅考虑了attention分数，而且还考虑了模型预测对注意关系的敏感性。

attribution分数可以通过积分的Riemman近似来计算得到，具体地说，我们在从零注意矩阵到原始注意权重A的直线路径上以足够小的间隔出现的点处求梯度的和。

\bar{Attr}_h (A) = \frac{A_h}{m} \odot \sum_{k=1}^m \frac{\partial F(\frac{k}{m}A)}{\partial A_h}

其中为近似的步数，后续实验中，我们将其设置为20。

我们再看一下下面这张图：

我们发现：

更大的注意分数并不意味着对最终预测的贡献更大。SEP标记与其它标记之间的注意得分相对较大，但获得的归因得分较少。
对contradiction类的预测，最主要的是第一节中的“don't”与第二节中的“I know”之间的联系，这种联系更容易解释。

实验

1.效果分析

我们发现：

归因得分修剪头部会对模型效果可以产生更显著的影响。
在每一层中只修剪Top2的两个归因分数的头部会导致模型精度的极大降低。相比之下，保留它们有助于模型达到近97%的准确率。即使每层只保留两个heads，模型仍然可以有很强的性能。
和attention分数相比，使用attention分数裁剪heads的影响不是非常明显，这也充分证明了我们方法的有效性。

2.Head Attention的裁剪

1.Head Importance

1.1 Our method

I_h =E_x[max(Attr_h(A))]

其中表示从held-out几何中采样得到的样本。表示第个attention head的最大attribution值。

1.2. Tylor expansion

I_h =E_x[A_h^T \frac{\partial L(x)}{\partial A_h}]

其中是关于样本的损失函数,是第个head对应的attention分数。

2.实验对比

使用我们的方法进行裁剪的效果是最好的。

小结

本文提出了自我注意归因（ATTATTR），它解释了Transformer内部的信息交互，使自我注意机制更易于解释。文章进行了定量分析，证明了ATTATTR的有效性。此外，利用本文提出的方法来识别最重要的注意head，从而提出了一种新的头部剪枝算法。然后利用属性得分得到交互树，从而可视化变压器的信息流。本文的方法非常有参考价值。