PyTorch教程11.4之Bahdanau注意力機(jī)制

當(dāng)我們在10.7 節(jié)遇到機(jī)器翻譯時，我們設(shè)計了一個基于兩個 RNN 的序列到序列 (seq2seq) 學(xué)習(xí)的編碼器-解碼器架構(gòu) ( Sutskever et al. , 2014 )。具體來說，RNN 編碼器將可變長度序列轉(zhuǎn)換為固定形狀的上下文變量。然后，RNN 解碼器根據(jù)生成的標(biāo)記和上下文變量逐個標(biāo)記地生成輸出（目標(biāo)）序列標(biāo)記。

回想一下我們在下面重印的圖 10.7.2 （圖 11.4.1）以及一些額外的細(xì)節(jié)。通常，在 RNN 中，有關(guān)源序列的所有相關(guān)信息都由編碼器轉(zhuǎn)換為某種內(nèi)部固定維狀態(tài)表示。正是這種狀態(tài)被解碼器用作生成翻譯序列的完整和唯一的信息源。換句話說，seq2seq 機(jī)制將中間狀態(tài)視為可能作為輸入的任何字符串的充分統(tǒng)計。

圖 11.4.1序列到序列模型。編碼器生成的狀態(tài)是編碼器和解碼器之間唯一共享的信息。

雖然這對于短序列來說是相當(dāng)合理的，但很明顯這對于長序列來說是不可行的，比如一本書的章節(jié)，甚至只是一個很長的句子。畢竟，一段時間后，中間表示中將根本沒有足夠的“空間”來存儲源序列中所有重要的內(nèi)容。因此，解碼器將無法翻譯又長又復(fù)雜的句子。第一個遇到的人是 格雷夫斯 ( 2013 )當(dāng)他們試圖設(shè)計一個 RNN 來生成手寫文本時。由于源文本具有任意長度，他們設(shè)計了一個可區(qū)分的注意力模型來將文本字符與更長的筆跡對齊，其中對齊僅在一個方向上移動。這反過來又利用了語音識別中的解碼算法，例如隱馬爾可夫模型 （Rabiner 和 Juang，1993 年）。

受到學(xué)??習(xí)對齊的想法的啟發(fā)， Bahdanau等人。( 2014 )提出了一種沒有單向?qū)R限制的可區(qū)分注意力模型。在預(yù)測標(biāo)記時，如果并非所有輸入標(biāo)記都相關(guān)，則模型僅對齊（或關(guān)注）輸入序列中被認(rèn)為與當(dāng)前預(yù)測相關(guān)的部分。然后，這用于在生成下一個令牌之前更新當(dāng)前狀態(tài)。雖然在其描述中相當(dāng)無傷大雅，但這種Bahdanau 注意力機(jī)制可以說已經(jīng)成為過去十年深度學(xué)習(xí)中最有影響力的想法之一，并催生了 Transformers （Vaswani等人，2017 年）以及許多相關(guān)的新架構(gòu)。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

from mxnet import init, np, npx
from mxnet.gluon import nn, rnn
from d2l import mxnet as d2l

npx.set_np()

import jax
from flax import linen as nn
from jax import numpy as jnp
from d2l import jax as d2l

import tensorflow as tf
from d2l import tensorflow as d2l

11.4.1。模型

我們遵循第 10.7 節(jié)的 seq2seq 架構(gòu)引入的符號 ，特別是(10.7.3)。關(guān)鍵思想是，而不是保持狀態(tài)，即上下文變量c將源句子總結(jié)為固定的，我們動態(tài)更新它，作為原始文本（編碼器隱藏狀態(tài)）的函數(shù)ht) 和已經(jīng)生成的文本（解碼器隱藏狀態(tài)st′?1). 這產(chǎn)生 ct′, 在任何解碼時間步后更新 t′. 假設(shè)輸入序列的長度T. 在這種情況下，上下文變量是注意力池的輸出：

(11.4.1)ct′=∑t=1Tα(st′?1,ht)ht.

我們用了st′?1作為查詢，和 ht作為鍵和值。注意 ct′然后用于生成狀態(tài) st′并生成一個新令牌（參見 (10.7.3)）。特別是注意力權(quán)重 α使用由 ( 11.3.7 )定義的附加注意評分函數(shù)按照 (11.3.3)計算。這種使用注意力的 RNN 編碼器-解碼器架構(gòu)如圖 11.4.2所示。請注意，后來對該模型進(jìn)行了修改，例如在解碼器中包含已經(jīng)生成的標(biāo)記作為進(jìn)一步的上下文（即，注意力總和確實停止在T而是它繼續(xù)進(jìn)行t′?1). 例如，參見Chan等人。( 2015 )描述了這種應(yīng)用于語音識別的策略。

圖 11.4.2具有 Bahdanau 注意機(jī)制的 RNN 編碼器-解碼器模型中的層。

class AttentionDecoder(d2l.Decoder): #@save
  """The base attention-based decoder interface."""
  def __init__(self):
    super().__init__()

  @property
  def attention_weights(self):
    raise NotImplementedError

class AttentionDecoder(d2l.Decoder): #@save
  """The base attention-based decoder interface."""
  def __init__(self):
    super().__init__()

  @property
  def attention_weights(self):
    raise NotImplementedError

class AttentionDecoder(d2l.Decoder): #@save
  """The base attention-based decoder interface."""
  def __init__(self):
    super().__init__()

  @property
  def attention_weights(self):
    raise NotImplementedError

class Seq2SeqAttentionDecoder(AttentionDecoder):
  def __init__(self, vocab_size, embed_size<