在self attention中，为什么对qk的点积进行归一化

在self-attention中，点积操作可以衡量两个向量之间的相似度，而归一化则可以使得不同的向量在点积后得到的结果具有可比性，使得模长较大的向量不会对结果产生过大的影响。

具体来说，对于query向量q和key向量k，点积操作得到的结果是一个标量，通常这个标量的大小与query和key的模长有关系。如果不进行归一化，那么模长较大的向量会对结果产生过大的影响，从而影响模型的性能。因此，在self-attention中，我们通常会对点积进行归一化，例如使用softmax函数，使得所有的点积值都在0到1之间，并且和为1，这样可以保证不同的向量在点积后得到的结果具有可比性。

相关问题

self-attention中的q，k，v矩阵具体是怎么来的

在self-attention机制中，输入序列经过一个线性变换得到三个矩阵：Query矩阵Q，Key矩阵K和Value矩阵V。这些矩阵的计算方式如下：

假设输入序列为$X=[x_1,x_2,...,x_n]$，其中$x_i$是一个d维的向量。

我们使用三个不同的线性变换来获得Q，K和V矩阵：

$Q=XW_Q$

$K=XW_K$

$V=XW_V$

其中，$W_Q$，$W_K$和$W_V$是我们需要学习的权重矩阵。

这里Q，K和V矩阵的大小都是d×n，其中n是输入序列的长度。这些矩阵可以看作是对输入序列的不同表示方式，它们分别用于计算注意力分数、加权求和和输出结果。

具体来说，对于每个位置i，我们计算它关于所有位置的注意力分数，这些分数用于加权求和得到该位置的输出向量。注意力分数的计算方式是对Q和K做点积，并进行缩放：

$Attention(Q,K,V)=softmax(\frac{QK^T}{\sqrt{d}})V$

其中，$softmax$函数将注意力分数归一化，使得它们的和为1。$\sqrt{d}$是为了缩放点积，避免点积值过大或过小。

因此，Q，K和V矩阵的作用是为了计算注意力分数和输出向量。这些矩阵可以通过学习得到，从而使得模型能够自适应地学习输入序列的不同特征表示。

from keras import backend as K from keras.engine.topology import Layer class Self_Attention(Layer): def init(self, output_dim, **kwargs): self.output_dim = output_dim super(Self_Attention, self).init(**kwargs) def build(self, input_shape): # 为该层创建一个可训练的权重 # inputs.shape = (batch_size, time_steps, seq_len) # 可能seq_len是64，output_dim是128 self.kernel = self.add_weight(name='kernel', shape=(3, input_shape[2], self.output_dim), initializer='uniform', trainable=True) super(Self_Attention, self).build(input_shape) # 一定要在最后调用它 def call(self, x): WQ = K.dot(x, self.kernel[0]) WK = K.dot(x, self.kernel[1]) WV = K.dot(x, self.kernel[2]) print("WQ.shape", WQ.shape) # print("WQ_.shape", WQ_.shape) print("K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape", K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape) QK = K.batch_dot(WQ, K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1])) QK = QK / (64 ** 0.5) QK = K.softmax(QK) print("QK.shape", QK.shape) # distribution函数: (QxKt)/dk V = K.batch_dot(QK, WV) return V def compute_output_shape(self, input_shape): return (input_shape[0], input_shape[1], self.output_dim) 解释这段代码，举例怎样使用

这段代码实现了一个自注意力层（Self-Attention Layer），用于文本分类等任务中。下面是对代码的解释：

from keras import backend as K
from keras.engine.topology import Layer

class Self_Attention(Layer):
    def __init__(self, output_dim, **kwargs):
        self.output_dim = output_dim
        super(Self_Attention, self).__init__(**kwargs)

    def build(self, input_shape):
        # 为该层创建一个可训练的权重
        # inputs.shape = (batch_size, time_steps, seq_len)
        # 可能seq_len是64，output_dim是128
        self.kernel = self.add_weight(name='kernel', shape=(3, input_shape[2], self.output_dim),
                                      initializer='uniform', trainable=True)
        super(Self_Attention, self).build(input_shape)  # 一定要在最后调用它

    def call(self, x):
        WQ = K.dot(x, self.kernel[0])
        WK = K.dot(x, self.kernel[1])
        WV = K.dot(x, self.kernel[2])
        print("WQ.shape", WQ.shape)
        print("K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape", K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape)
        QK = K.batch_dot(WQ, K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]))
        QK = QK / (64 ** 0.5)
        QK = K.softmax(QK)
        print("QK.shape", QK.shape)
        V = K.batch_dot(QK, WV)
        return V

    def compute_output_shape(self, input_shape):
        return (input_shape[0], input_shape[1], self.output_dim)

这个自注意力层的输入是一个形状为`(batch_size, time_steps, seq_len)`的张量，其中`seq_len`表示序列的长度，例如一个句子中的单词数。输出是形状为`(batch_size, time_steps, output_dim)`的张量，其中`output_dim`表示自注意力层的输出维度，例如一个句子中的每个单词都会被映射成一个长度为128的向量。

在`__init__`方法中，我们定义了输出维度`output_dim`，并调用了父类的`__init__`方法。

在`build`方法中，我们定义了一个可训练的权重`kernel`，它是一个形状为`(3, seq_len, output_dim)`的张量，其中`3`表示了我们需要计算出`Q`、`K`、`V`三个向量，`seq_len`为输入序列的长度，`output_dim`为自注意力层的输出维度。我们使用了`add_weight`方法来创建这个权重，并指定了它的名称、形状和初始化方法，将它设置为可训练的。最后，我们调用了父类的`build`方法。

在`call`方法中，我们首先根据`kernel`权重计算出`Q`、`K`、`V`三个向量，分别对输入`x`进行线性变换得到。然后，我们通过`batch_dot`方法计算出`Q`和`K`之间的点积，并使用`softmax`函数将其归一化，得到注意力分布`QK`。最后，我们将注意力分布`QK`和`V`进行加权求和，得到自注意力层的输出`V`。

在`compute_output_shape`方法中，我们返回了自注意力层的输出形状`(batch_size, time_steps, output_dim)`。

使用这个自注意力层的方法如下：

from keras.layers import Input, Dense, Masking, LSTM, Bidirectional
from keras.models import Model
import numpy as np

# 定义输入数据形状和类别数
max_len = 64
num_classes = 5

# 构建模型
inputs = Input(shape=(max_len,))
x = Masking(mask_value=0)(inputs)  # 对输入进行 Masking，将填充部分忽略
x = Bidirectional(LSTM(64, return_sequences=True))(x)  # 双向 LSTM
x = Self_Attention(output_dim=128)(x)  # 自注意力层
x = Dense(64, activation='relu')(x)
outputs = Dense(num_classes, activation='softmax')(x)
model = Model(inputs=inputs, outputs=outputs)

# 编译模型并训练
model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
x_train = np.random.randint(5, size=(64, 64))  # 随机生成训练数据
y_train = np.random.randint(num_classes, size=(64,))  # 随机生成训练标签
y_train = np.eye(num_classes)[y_train]  # 将标签转换为 one-hot 编码
model.fit(x_train, y_train, epochs=10, batch_size=8)

在这个示例中，我们首先定义了输入数据的形状和类别数，然后构建了一个包含自注意力层的模型。这个模型首先对输入进行 Masking，然后使用双向 LSTM 进行编码，接着使用自注意力层进行加权求和，最后通过全连接层进行分类。我们使用了随机生成的数据进行训练。需要注意的是，在实际使用中，我们还需要根据具体的任务场景和数据情况进行模型的调参和优化。