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Transformer它就是个支持向量机

2023-09-05    机器之心Pro
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编辑:蛋酱、小舟

SVM is all you need,支持向量机永不过时。

Transformer 是一个支持向量机(SVM)一种新型理论在学界引发了人们的讨论。

上周末,一篇来自宾夕法尼亚大学、加州大学河滨分校的论文试图研究大模型基础 Transformer 结构的原理,其在注意力层的优化几何与将最优输入 token 与非最优 token 分开的硬边界 SVM 问题之间建立了形式等价。

在 hackernews 上作者表示,这种理论解决了 SVM 将每个输入序列中的「好」标记与「坏」token 分开的问题。该 SVM 作为一个性能优异的 token 选择器,与传统为输入分配 0-1 标签的 SVM 本质上不同。

这种理论也解释了注意力如何通过 softmax 引起稀疏性:落在 SVM 决策边界错误一侧的「坏」token 被 softmax 函数抑制,而「好」token 是那些最终具有非零 softmax 概率的 token。还值得一提的是,这个 SVM 源于 softmax 的指数性质。

论文上传到 arXiv 上面之后,人们纷纷发表意见,有人表示:AI 研究的方向真是螺旋上升,难道又要绕回去了?

绕了一圈,支持向量机还是没有过时。

自经典论文《Attention is All You Need》问世以来,Transformer 架构已为自然语言处理(NLP)领域带来了革命性进展。Transformer 中的注意力层接受一系列输入 token X,并通过计算

评估 token 之间的相关性,其中 (K, Q) 是可训练的 key-query 参数,最终有效捕获远程依赖关系。

现在,一篇名为《Transformers as Support Vector machines》的新论文在自注意力的优化几何和 hard-margin SVM 问题之间建立了一种形式等价,使用 token 对的外积线性约束将最优输入 token 与非最优 token 分开。

论文链接:https://arxiv.org/pdf/2308.16898.pdf

这种形式等价建立在 Davoud Ataee Tarzanagh 等人的论文《Max-Margin Token Selection in Attention Mechanism》的基础上,它能够描述通过梯度下降进行优化的 1 层 transformer 的隐式偏差(implicit bias):

(1) 优化由 (K, Q) 参数化的注意力层,通过消失正则化(vanishing regularization),收敛到一种 SVM 解决方案,其中最小化组合参数

的核范数(nuclear norm)。相反,直接通过 W 进行参数化可以最小化 Frobenius 范数 SVM 目标。该论文描述了这种收敛,并强调它可以发生在局部最优方向而不是全局最优方向。

(2) 该论文还证明了 W 参数化在适当的几何条件下梯度下降的局部 / 全局方向收敛。重要的是,过度参数化通过确保 SVM 问题的可行性和保证没有驻点(stationary points)的良性优化环境来催化全局收敛。

(3) 虽然该研究的理论主要适用于线性预测头,但研究团队提出了一种更通用的 SVM 等价物,可以预测具有非线性头 / MLP 的 1 层 transformer 的隐式偏差。

总的来说,该研究的结果适用于一般数据集,可以扩展到交叉注意力层,并且研究结论的实际有效性已经通过彻底的数值实验得到了验证。该研究建立一种新的研究视角,将多层 transformer 看作分离和选择最佳 token 的 SVM 层次结构。

具体来说,给定长度为 T,嵌入维度为 d 的输入序列

,该研究分析核心交叉注意力和自注意力模型:

其中,K、Q、V 分别是可训练的键、查询、值矩阵,

;S (・) 表示 softmax 非线性,它逐行应用于

。该研究假设将 Z 的第一个 token(用 z 表示)用于预测。具体来说,给定一个训练数据集

,该研究使用递减损失函数

进行最小化:

这里,h (・) :

是包含值权重 V 的预测头。在这种表述中,模型 f (・) 精确地表示了一个单层 transformer,其中注意力层之后是一个 MLP。作者通过设置

来恢复 (2) 中的自注意力,其中 x_i 表示序列 X_i 的第一个 token。由于 softmax 运算的非线性性质,它给优化带来了巨大挑战。即使预测头是固定和线性的,该问题也是非凸和非线性的。在本研究中,作者将重点放在优化注意力权重(K、Q 或 W)上,并克服这些挑战,从而建立 SVM 的基本等价性。

论文结构如下:第 2 章介绍了自注意力和优化的初步知识;第 3 章分析了自注意力的优化几何,表明注意力参数 RP 收敛到最大边际解;第 4 章和第 5 章分别介绍了全局和局部梯度下降分析,表明 key-query 变量 W 向 (Att-SVM) 的解决方案收敛;第 6 章提供了在非线性预测头和广义 SVM 等价性方面的结果;第 7 章将理论扩展到顺序预测和因果预测;第 8 章讨论了相关文献。最后,第 9 章进行总结,提出开放性问题和未来研究方向。

论文的主要内容如下:

注意力层的内隐偏差(第 2-3 章)

正则化消失的情况下优化注意力参数(K, Q),会在方向上收敛到

的最大边际解,其核范数目标是组合参数

。在直接用组合参数 W 对交叉注意力进行参数化的情况下,正则化路径 (RP) 定向收敛于以 Frobenius 范数为目标的(Att-SVM)解。

这是第一个正式区分 W 与(K,Q)参数化优化动态的结果,揭示了后者的低阶偏差。该研究的理论清楚地描述了所选 token 的最优性,并自然地扩展到了序列到序列或因果分类设置。

梯度下降的收敛(第 4-5 章)

通过适当的初始化和线性头 h (・),组合 key-query 变量 W 的梯度下降(GD)迭代在方向上收敛到(Att-SVM)的局部最优解(第 5 节)。要实现局部最优,所选 token 必须比相邻 token 得分更高。

局部最优方向不一定是唯一的,可以根据问题的几何特征来确定 [TLZO23]。作为一项重要贡献,作者确定了保证向全局最优方向收敛的几何条件(第 4 章)。这些条件包括:

除此以外,论文还展示了过度参数化(即维度 d 较大,以及同等条件)通过确保(1)(Att-SVM)的可行性,以及(2)良性优化 landscape(即不存在静止点和虚假的局部最优方向)来催化全局收敛(见第 5.2 节)。

图 1 和图 2 对此进行了说明。

SVM 等价的通用性(第 6 章)

当使用线性 h (・) 进行优化时,注意力层会固有地偏向于从每个序列中选择一个 token(又称硬注意力)。这反映在了 (Att-SVM) 中,表现为输出 token 是输入 token 的凸组合。与此相反,作者表明非线性头必须由多个 token 组成,从而突出了它们在 transformer 动态过程中的重要性(第 6.1 节)。利用从理论中获得的洞察力,作者提出了一种更通用的 SVM 等价方法。

值得注意的是,他们证明了在理论未涵盖的普遍情况下(例如,h (・) 是一个 MLP),本文的方法能准确预测通过梯度下降训练的注意力的隐含偏差。具体来说,本文的通用公式将注意力权重解耦为两个部分:一个是由 SVM 控制的定向部分,它通过应用 0-1 掩码来选择标记;另一个是有限部分,它通过调整 softmax 概率来决定所选 token 的精确组成。

这些发现的一个重要特点是,它们适用于任意数据集(只要 SVM 可行),并且可以用数字验证。作者通过实验广泛验证了 transformer 的最大边际等价性和隐含偏差。作者认为,这些发现有助于理解作为分层最大边际 token 选择机制的 transformer,可为即将开展的有关其优化和泛化动态的研究奠定基础。

参考内容:

https://news.ycombinator.com/item?id=37367951

https://Twitter.com/vboykis/status/1698055632543207862

关键词:Transformer      点击(21)
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