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从另一个视角看Transformer：注意力机制就是可微分的k-NN算法

news 2025/9/25 13:28:59

注意力机制听起来很玄乎，但我们可以把它看作一个软k-NN算法。查询向量问：“谁跟我最像？”，softmax投票，相似的邻居们返回一个加权平均值。这就是注意力头的另外一种解释：一个可微分的软k-NN：计算相似度 → softmax转换为权重 → 对邻居值求加权平均。

通过

1/sqrt(d)

缩放防止softmax在高维时饱和，掩码决定哪些位置可以互相"看见"（处理因果关系、填充等问题）。

想象有个查询向量 𝐪 在问：“哪些token跟我相似？”

接下来就是三步走：

把 𝐪 跟每个键 𝒌 ᵢ 做比较，算出相似度分数
Softmax把这些分数归一化成概率分布（分数越高权重越大）
用这些权重对值向量 𝐯ᵢ 做加权平均

这就是注意力的另外一种解释：考虑序列顺序的软邻居平均算法。

数学推导

单注意力头，键/查询维度是 𝒅，值维度是 𝒅 ᵥ：

相似度计算用缩放点积：

可选的掩码操作：

按行做softmax得到权重：

最后计算值的加权平均：

为什么要除以 sqrt(d)？

随机d维向量的点积会按 O(sqrt(d)) 增长。不做缩放的话，softmax就变成了胜者通吃（一个权重接近1，其他都接近0），梯度直接就消失了，所以除以sqrt(d)能让分数方差保持在合理范围，这样softmax的熵也就稳定了。

掩码的作用

掩码 𝐌 在softmax之前加入：

因果掩码用于语言建模，阻止位置 t 看到 j > t 的未来信息。填充掩码则屏蔽那些占位符token。数学上就是 A=softmax(S+M)，其中 Mᵢⱼ=0 表示允许，-∞ 表示阻塞。

软k-NN的不同变体

换个相似度函数就是换个归纳偏置：

点积考虑方向和幅度：

余弦相似度只看角度，忽略长度：

负距离（RBF风格）专注欧几里得邻域：

之后都是 softmax → 权重 → 加权平均。温度参数τ控制软硬程度：τ越小越尖锐，越像argmax。

NumPy最小实现

目标很简单：清晰胜过速度。

 import numpy as np  def softmax(x, axis=-1):  x = x - np.max(x, axis=axis, keepdims=True)   # numerical stability  ex = np.exp(x)  return ex / np.sum(ex, axis=axis, keepdims=True)  def attention(Q, K, V, mask=None):  """  Q: (n_q, d), K: (n_k, d), V: (n_k, d_v)  mask: (n_q, n_k) with 0=keep, -inf=block (or None)  Returns: (n_q, d_v), (n_q, n_k)  """  d = Q.shape[-1]  scores = (Q @ K.T) / np.sqrt(d)              # (n_q, n_k)  if mask is not None:  scores = scores + mask  weights = softmax(scores, axis=-1)           # (n_q, n_k)  return weights @ V, weights

简单实验：6个二维token

创建6个token embedding和一个查询，看看权重分配：

 # toy data  
np.random.seed(7)  
n_tokens, d, d_v = 6, 2, 2  K = np.array([[ 1.0,  0.2],  [ 0.9,  0.1],  [ 0.2,  1.0],  [-0.2,  0.9],  [ 0.0, -1.0],  [-1.0, -0.6]])  # Values as a simple linear map of keys (for intuition)  
Wv = np.array([[0.7, 0.1],  [0.2, 0.9]])  
V = K @ Wv  # Query near the first cluster  
Q = np.array([[0.8, 0.15]])  # (1, d)  out, W = attention(Q, K, V)  
print("Attention weights:", np.round(W, 3))  
print("Output vector:",    np.round(out, 3))  
# -> weights ~ heavier on the first two neighbors
Attention weights: [[0.252 0.236 0.174 0.138 0.126 0.075]]  Output vector: [[0.318 0.221]]

权重可视化：

查询通过缩放点积+softmax给键分配概率（权重和为1），大部分权重落在最近的邻居上（0≈0.25，1≈0.24），输出就是这些值的加权平均。所以可以说注意力就是软k-NN。

使用几何视角更直观：

查询（★）感受到来自附近键（●）的加权拉力，箭头长度正比于注意力权重。输出（✖）就是邻居们的加权重心。

三种相似度的对比

试试不同的相似度函数：

 def attention_with_sim(Q, K, V, sim="dot", tau=1.0, eps=1e-9):  if sim == "dot":  scores = (Q @ K.T) / np.sqrt(K.shape[-1])  elif sim == "cos":  Qn = Q / (np.linalg.norm(Q, axis=-1, keepdims=True) + eps)  Kn = K / (np.linalg.norm(K, axis=-1, keepdims=True) + eps)  scores = (Qn @ Kn.T) / tau  elif sim == "rbf":  # scores = -||q-k||^2 / (2*tau^2)  q2 = np.sum(Q**2, axis=-1, keepdims=True)        # (n_q, 1)  k2 = np.sum(K**2, axis=-1, keepdims=True).T      # (1, n_k)  qk = Q @ K.T                                     # (n_q, n_k)  d2 = q2 + k2 - 2*qk  scores = -d2 / (2 * tau**2)  else:  raise ValueError("sim in {dot, cos, rbf}")  W = softmax(scores, axis=-1)  return W @ V, W, scores  for sim in ["dot", "cos", "rbf"]:  out_s, W_s, _ = attention_with_sim(Q, K, V, sim=sim, tau=0.5)  print(sim, "weights:", np.round(W_s, 3), "out:", np.round(out_s, 3))[#结果](#结果)
dot weights: [[0.252 0.236 0.174 0.138 0.126 0.075]] out: [[0.318 0.221]]  
cos weights: [[0.397 0.394 0.113 0.05 0.037 0.008]] out: [[0.576 0.287]]  rbf weights: [[0.443 0.471 0.055 0.021 0.01 0. ]] out: [[0.651 0.268]]

相似度选择就是归纳偏置选择。余弦看角度，RBF看距离，点积两者兼顾。

同一个查询，三种视角。余弦和RBF在最近键上更加聚焦，点积分布相对均匀。

因果掩码和填充掩码

语言建模里经常用到：

因果掩码防止模型偷看未来，位置 t 不能看到 > t 的内容。填充掩码忽略那些没有实际内容的占位符。

 # Causal mask for sequence length n (upper-triangular blocked)  
n = 6  
mask = np.triu(np.ones((n, n)) * -1e9, k=1)  # Visualize structure by setting Q=K=V (toy embeddings)  
X = K  
out_seq, A = attention(X, X, X, mask=mask)  # Row sums stay 1.0 (softmax is row-wise):  
print(np.allclose(np.sum(A, axis=1), 1.0))[#True](#True)

严格的下三角结构 —— 每个位置只能看到自己和过去的信息。

填充掩码就简单了：构建布尔掩码，填充位置设为-∞，复用同一个attention函数即可。

缩放为什么有效？

用随机高维向量实验一下：

 def entropy(p, axis=-1, eps=1e-12):  p = np.clip(p, eps, 1.0)  return -np.sum(p * np.log(p), axis=axis)  nq = nk = 64  
dims = [256*(2**i) for i in range(7)]  # 256..16,384  
trials = 5  
H_max = np.log(nk)  for dim in dims:  H_u = []  H_s = []  for _ in range(trials):  Q = np.random.randn(nq, dim)  K = np.random.randn(nk, dim)  S_unscaled = Q @ K.T  S_scaled   = S_unscaled / np.sqrt(dim)  H_u.append(entropy(softmax(S_unscaled, axis=-1), axis=-1).mean())  H_s.append(entropy(softmax(S_scaled,   axis=-1), axis=-1).mean())  print(f"{dim:>6}  | unscaled: {np.mean(H_u):.3f}  scaled: {np.mean(H_s):.3f}  (max={H_max:.3f})")[#结果](#结果)
256 | unscaled: 0.280 scaled: 3.686 (max=4.159)  
512 | unscaled: 0.165 scaled: 3.672 (max=4.159)  
1024 | unscaled: 0.124 scaled: 3.682 (max=4.159)  
2048 | unscaled: 0.078 scaled: 3.669 (max=4.159)  
4096 | unscaled: 0.063 scaled: 3.689 (max=4.159)  
8192 | unscaled: 0.041 scaled: 3.685 (max=4.159)  16384 | unscaled: 0.024 scaled: 3.694 (max=4.159)

可以看到，缩放让softmax更加可靠。

数据很明显：未缩放时熵只有0.07-0.28，缩放后保持在3.68附近。64个键的最大熵是ln(64)≈4.16。

不缩放→接近独热分布：一个键可以霸占所有权重，梯度消失。

缩放后→高熵，权重分散：多个邻居都有贡献，梯度健康。

原理很简单：独立同分布随机向量的点积方差∝d。维度增长时logits变大，softmax饱和。除以sqrt(d)把logit方差归一化到O(1)，保持softmax"温度"恒定。

1/sqrt(d)维护了可训练性和稳定性 —— 注意力保持软k-NN特性，不会退化成硬argmax。