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一、背景介绍

在自然语言处理（NLP）领域，传统的 RNN（循环神经网络）和 LSTM（长短期记忆网络）在处理长序列时存在梯度消失和计算效率低的问题。
2017 年，Vaswani 等人提出的 Transformer 架构彻底改变了 NLP 的发展方向。它完全基于注意力机制（Attention），摒弃了循环结构，大幅提升了训练效率与模型表现。

Transformer 不仅成为 NLP 的基础模型，也为后续的 BERT、GPT、ViT（视觉 Transformer）等模型奠定了核心框架。

二、Transformer 总体结构

Transformer 采用 编码器-解码器（Encoder-Decoder）架构：

• 编码器（Encoder）：负责将输入序列映射为上下文表示（Contextual Representation）。

• 解码器（Decoder）：在生成任务中，基于编码器输出和历史预测，生成目标序列。

三、核心机制：注意力（Attention）

1. 自注意力机制（Self-Attention）

输入序列 ，通过映射得到 查询（Q）、键（K）、值（V） 矩阵：

其中 是可训练参数。

注意力分数计算公式（Scaled Dot-Product Attention）：

其中 表示键向量的维度，用于缩放，避免内积过大。

2. 多头注意力（Multi-Head Attention）

单头注意力可能无法捕捉序列中不同的语义关系，Transformer 使用 多头注意力机制：

每个注意力头计算方式相同：

通过多个子空间关注不同的特征关系。

四、位置编码（Positional Encoding）

由于 Transformer 不使用循环网络，因此需要 位置编码 来引入序列位置信息。
采用三角函数的编码方式：

其中：

• 表示单词位置，

• 表示维度索引。

五、编码器与解码器结构

1. 编码器（Encoder）

由 个相同层堆叠而成，每一层包含：

• 多头自注意力层（Multi-Head Self-Attention）

• 前馈神经网络（Feed Forward Network, FFN）

• 残差连接（Residual Connection）和层归一化（Layer Normalization）

前馈网络公式：

2. 解码器（Decoder）

解码器结构与编码器类似，但包含额外的 编码器-解码器注意力（Encoder-Decoder Attention）。
这一层保证生成目标序列时能够利用输入序列的上下文信息。

六、Transformer 的优势

1. 并行计算：相比 RNN 的序列计算，Transformer 可并行处理整个序列。

2. 长依赖捕捉能力强：注意力机制可直接建立任意两个位置的依赖关系。

3. 扩展性强：易于扩展到超大规模模型，如 BERT、GPT、T5 等。

七、总结

Transformer 通过 注意力机制、多头机制、位置编码 等设计，解决了传统 RNN 的缺陷，成为现代 NLP 的核心框架。
理解 Transformer 的结构与公式，对于深入学习 BERT、GPT 及其他大模型具有重要意义。