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Transformer 是一個支持向量機(SVM)一種新型理論在學界引發了人們的討論。

上週末,一篇來自賓州大學、加州大學河濱分校的論文試圖研究大模型基礎Transformer 結構的原理,其在註意力層的最佳化幾何與將最優輸入token 與非最優token 分開的硬邊界SVM 問題之間建立了形式等價。

在 hackernews 上作者表示,這種理論解決了 SVM 將每個輸入序列中的「好」標記與「壞」token 分開的問題。此 SVM 作為一個效能優異的 token 選擇器,與傳統為輸入分配 0-1 標籤的 SVM 本質上不同。

這個理論也解釋了注意力如何透過softmax 引起稀疏性:落在SVM 決策邊界錯誤一側的「壞」token 被softmax 函數抑制,而「好」token是那些最終具有非零softmax 機率的token。另外值得一提的是,這個 SVM 源自於 softmax 的指數性質。

論文上傳到 arXiv 上面之後,人們紛紛發表意見,有人表示:AI 研究的方向真是螺旋上升,難道又要繞回去了?

聽我說,Transformer它就是個支援向量機

繞了一圈,支援向量機還是沒有過時。

自經典論文《Attention is All You Need》問世以來,Transformer 架構已為自然語言處理(NLP)領域帶來了革命性進展。 Transformer 中的注意力層接受一系列輸入token X,並透過計算 聽我說,Transformer它就是個支援向量機 來評估token 之間的相關性,其中(K, Q) 是可訓練的key-query 參數,最終有效捕獲遠端依賴關係。

現在,一篇名為《Transformers as Support Vector Machines》的新論文在自註意力的優化幾何和hard-margin SVM 問題之間建立了一種形式等價,使用token 對的外積線性限制將最佳輸入token 與非最優token 分開。

聽我說,Transformer它就是個支援向量機

論文連結:https://arxiv.org/pdf/2308.16898.pdf

這種形式等價建立在Davoud Ataee Tarzanagh 等人的論文《Max-Margin Token Selection in Attention Mechanism》的基礎上,它能夠描述透過梯度下降進行優化的1 層transformer 的隱式偏差(implicit bias):

 (1) 最佳化由(K, Q) 參數化的注意力層,透過消失正則化(vanishing regularization),收斂到一種SVM 解,其中最小化組合參數 聽我說,Transformer它就是個支援向量機 的核範數(nuclear norm)。相反,直接透過 W 進行參數化可以最小化 Frobenius 範數 SVM 目標。該論文描述了這種收斂,並強調它可以發生在局部最優方向而不是全域最優方向。 

(2) 論文也證明了 W 參數化在適當的幾何條件下梯度下降的局部 / 全域方向收斂。重要的是,過度參數化透過確保 SVM 問題的可行性和保證沒有駐點(stationary points)的良性最佳化環境來催化全域收斂。

(3) 雖然該研究的理論主要適用於線性預測頭,但研究團隊提出了一種更通用的SVM 等價物,可以預測具有非線性頭/ MLP 的1層transformer 的隱性偏差。

總的來說,研究的結果適用於一般資料集,可以擴展到交叉注意力層,並且研究結論的實際有效性已經通過徹底的數值實驗得到了驗證。研究建立一種新的研究視角,將多層 transformer 看作分離並選擇最佳 token 的 SVM 層次結構。

具體來說,給定長度為T,嵌入維度為d 的輸入序列 聽我說,Transformer它就是個支援向量機 ,研究分析核心交叉注意力和自註意力模型: 

聽我說,Transformer它就是個支援向量機

其中,K、Q、V 分別是可訓練的鍵、查詢、值矩陣,聽我說,Transformer它就是個支援向量機; S (・) 表示softmax 非線性,它逐行應用於 聽我說,Transformer它就是個支援向量機。研究假設將 Z 的第一個 token(以 z 表示)用於預測。具體來說,給定一個訓練資料集 聽我說,Transformer它就是個支援向量機聽我說,Transformer它就是個支援向量機#,聽我說,Transformer它就是個支援向量機,該研究使用遞減損失函數 聽我說,Transformer它就是個支援向量機進行最小化:

聽我說,Transformer它就是個支援向量機

#這裡,h (・) : 聽我說,Transformer它就是個支援向量機 是包含值權重V 的預測頭。在這種表述中,模型 f (・) 精確地表示了一個單層 transformer,其中註意力層之後是一個 MLP。作者透過設定 聽我說,Transformer它就是個支援向量機 來恢復 (2) 中的自註意力,其中 x_i 表示序列 X_i 的第一個 token。由於 softmax 運算的非線性性質,它給最佳化帶來了巨大挑戰。即使預測頭是固定和線性的,該問題也是非凸和非線性的。在本研究中,作者將重點放在優化注意力權重(K、Q 或 W)上,並克服這些挑戰,從而建立 SVM 的基本等價性。

論文結構如下:第2 章介紹了自註意力和最佳化的初步知識;第3 章分析了自註意力的最佳化幾何,顯示注意力參數RP 收斂到最大邊際解;第4 章和第5 章分別介紹了全局和局部梯度下降分析,顯示key-query 變數W 向(Att-SVM) 的解決方案收斂;第6 章提供了在非線性預測頭和廣義SVM等價性方面的結果;第7 章將理論擴展到順序預測和因果預測;第8 章討論了相關文獻。最後,第 9 章進行總結,提出開放性問題和未來研究方向。

論文的主要內容如下:

#注意力層的內隱偏差(第2-3 章)

正規化消失的情況下最佳化注意力參數(K, Q),會在方向上收斂到聽我說,Transformer它就是個支援向量機的最大邊際解,其核範數目標是組合參數 聽我說,Transformer它就是個支援向量機。在直接以組合參數 W 對交叉注意力進行參數化的情況下,正則化路徑 (RP) 定向收斂於以 Frobenius 範數為目標的(Att-SVM)解。

這是第一個正式區分 W 與(K,Q)參數化最佳化動態的結果,揭示了後者的低階偏差。研究的理論清楚地描述了所選 token 的最優性,並自然地​​擴展到了序列到序列或因果分類設定。

梯度下降的收斂(第4-5 章)

透過適當的初始化和線性頭h (・),組合key-query 變數W 的梯度下降(GD)迭代在方向上收斂到(Att-SVM)的局部最適解(第5 節)。要達到局部最優,所選 token 必須比相鄰 token 得分更高。

局部最優方向不一定是唯一的,可以根據問題的幾何特徵來決定 [TLZO23]。作為重要貢獻,作者確定了保證向全域最優方向收斂的幾何條件(第 4 章)。這些條件包括: 

  • 最佳 token 在分數上有明顯差異;
  • 初始梯度方向與最佳 token 一致。

除此之外,論文還展示了過度參數化(即維度d 較大,以及同等條件)透過確保(1)(Att-SVM)的可行性,以及(2)良性最佳化landscape(即不存在靜止點和虛假的局部最優方向)來催化全域收斂(見第5.2 節)。

圖 1 和圖 2 對此進行了說明。

聽我說,Transformer它就是個支援向量機


聽我說,Transformer它就是個支援向量機

SVM 等價的通用性(第6 章)

當使用線性h (・) 進行最佳化時,注意力層會固有地偏向於從每個序列中選擇一個token(又稱硬注意力)。這反映在了 (Att-SVM) 中,表現為輸出 token 是輸入 token 的凸組合。與此相反,作者表明非線性頭必須由多個 token 組成,從而突出了它們在 transformer 動態過程中的重要性(第 6.1 節)。利用從理論中獲得的洞察力,作者提出了一種更通用的 SVM 等價方法。

值得注意的是,他們證明了在理論未涵蓋的普遍情況下(例如,h (・) 是一個MLP),本文的方法能準確預測透過梯度下降訓練的注意力的隱含偏差。具體來說,本文的通用公式將注意力權重解耦為兩個部分:一個是由SVM 控制的定向部分,它透過應用0-1 掩碼來選擇標記;另一個是有限部分,它透過調整softmax機率來決定所選token 的精確組成。

###這些發現的一個重要特點是,它們適用於任意資料集(只要 SVM 可行),並且可以用數字驗證。作者透過實驗廣泛驗證了 transformer 的最大邊際等價性和隱含偏差。作者認為,這些發現有助於理解作為分層最大邊際 token 選擇機制的 transformer,可為即將進行的有關其最佳化和泛化動態的研究奠定基礎。 ######

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