【深度学习必收藏】Transformer位置编码的数学本质:相加优于拼接的真相
本文从数学角度解释了Transformer模型中位置编码与Token Embedding采用相加而非拼接的原因。通过计算分析表明,拼接方式会导致"过参数化",需要额外投影矩阵但表达能力并未提升。当位置编码可学习时,加法与拼接在表示能力上无显著差异,但加法更高效,参数量更少,避免了冗余计算。
前言
在早期 Transformer 中位置编码(Pos Embedding)通常直接与 Token Embedding 相加后送入模型。选择“相加”而不是“拼接”的根本原因是“拼接”是一种过参数化形式,和加法没有显著区别,尤其当 Pos Embedding 是像 BERT 那样通过学习得到时。
用一个例子来说明。假设词表共包含 6 个 Token,Token Embedding 和 Pos Embedding 的维度为 4。
在计算层面,压根就没有 Embedding,只有 ID 和 Weight Matrix。
比如例子中的这 6 个 Token,它们的 ID 就是 0 到 5,在实现上使用 One-hot 表示,像下图这样。

Token ID=2 的 One-hot 表示
将 ID 为 2 的这个 Token 转化为 Embedding 的过程其实是使用一个 6x4 的 Weight Matrix 乘以这个 One-hot 向量,如下图所示:

这样的矩阵乘法其实就是在从 Weight Matrix 里选取第 3 行(对应 ID=2)。所以很明显,这个 Weight Matrix 就是 Token 的 Embedding 矩阵。
我们先来看通常 Embedding 直接相加对应的计算过程。为简单起见,假设在某个序列中,Token ID 为 2 的 Token 对应的 Pos ID 也为 2。既然 Token ID 是 one-hot,那么 Pos ID 也是 one-hot。两个 one-hot 向量是不能相加的,因为会破坏 one-hot 的性质。所以可以将它们直接拼起来,如下图所示。

拼接后,只需要将 Weight Matrix 同步“拉长”就行。容易看到,拼接后的 Weight Matrix 其实就是将 Token Embedding 矩阵和 Pos Embedding 矩阵在行方向上拼接起来。而使用拼接后的 one-hot 向量乘以这个“拉长”的 Weight Matrix,结果正是使用 Token ID 和 Pos ID 分别取出各自 Embedding 后再相加。
以上是加法的由来。
我们再来看对 Token Embedding 和 Pos Embedding 进行拼接的效果。下面不画图了,直接看计算过程。假设词表大小为 V,最大序列长度为 L,Token Embedding 维度为 ,Pos Embedding 维度为 。并且假设 Hidden state 的维度为 D。
Token 的 Embedding 计算如下:
其中 是 Token Embedding 参数矩阵; 是 Token 的 one-hot 向量; 是 Token 的 Embedding。
同理,当 Token 的 Pos 为 时,Pos Embedding 计算如下:
其中 是 Pos Embedding 矩阵; 是 Pos 的 one-hot 向量; 是 Pos 的 Embedding。
将两个 Embedding 拼接起来,得到最终的输入表示:
为了将这个输入表示映射到 Hidden state 维度,需要一个投影矩阵 ,计算如下:
是真正进入 Transformer 计算层的输入表示。把 (1.3) 代入 (1.4),得到:
利用矩阵的分块乘法性质,可以将 (1.5) 展开为:
其中 是 的前 行, 是 的后 行。
我们再把 (1.1) 和 (1.2) 代入 (1.6),得到:
这意味着拼接下的 Embedding 矩阵分别是 和 。
换言之,当使用加法时,我们实在用矩阵 和 来表示 Token Embedding 和 Pos Embedding;而当使用拼接时,我们实际上是在用 和 来表示它们。
多出来的投影矩阵 就是过参数化的来源。我们说“过参数化”,是因为 可以用一个参数矩阵 来表示。当 和 相同时, 的参数量是 。而 的总参数量是 。它们表示同一件事情,但是后者用了更多参数,所以是“过参数化”。
对 同理如此。
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