Attention-based transformers have been remarkably successful at modeling generative processes across various domains and modalities. In this paper, we study the behavior of transformers on data drawn from \kth Markov processes, where the conditional distribution of the next symbol in a sequence depends on the previous $k$ symbols observed. We observe a surprising phenomenon empirically which contradicts previous findings: when trained for sufficiently long, a transformer with a fixed depth and $1$ head per layer is able to achieve low test loss on sequences drawn from \kth Markov sources, even as $k$ grows. Furthermore, this low test loss is achieved by the transformer's ability to represent and learn the in-context conditional empirical distribution. On the theoretical side, our main result is that a transformer with a single head and three layers can represent the in-context conditional empirical distribution for \kth Markov sources, concurring with our empirical observations. Along the way, we prove that \textit{attention-only} transformers with $O(\log_2(k))$ layers can represent the in-context conditional empirical distribution by composing induction heads to track the previous $k$ symbols in the sequence. These results provide more insight into our current understanding of the mechanisms by which transformers learn to capture context, by understanding their behavior on Markov sources.


翻译:基于注意力机制的Transformer模型在跨领域和跨模态的生成过程建模方面取得了显著成功。本文研究了Transformer在从k阶马尔可夫过程生成的数据上的行为,其中序列中下一个符号的条件分布取决于观测到的前k个符号。我们通过实验观察到一个与先前发现相矛盾的惊人现象:当经过足够长时间的训练后,具有固定深度且每层仅含1个注意力头的Transformer能够在从k阶马尔可夫源生成的序列上实现较低的测试损失,即使k值不断增大。此外,这种低测试损失是通过Transformer表示和学习上下文条件经验分布的能力实现的。在理论方面,我们的主要结果表明,仅含单头和三层的Transformer能够表示k阶马尔可夫源的上下文条件经验分布,这与我们的实验观察一致。在此过程中,我们证明了仅含O(log₂(k))层的纯注意力Transformer能够通过组合归纳头来追踪序列中的前k个符号,从而表示上下文条件经验分布。这些结果通过理解Transformer在马尔可夫源上的行为,为我们当前理解Transformer学习捕捉上下文的机制提供了更深入的见解。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
18+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Transformers in Remote Sensing: A Survey
Arxiv
25+阅读 · 2022年9月2日
Arxiv
11+阅读 · 2022年3月16日
Arxiv
15+阅读 · 2022年1月24日
Arxiv
35+阅读 · 2021年1月27日
Arxiv
16+阅读 · 2020年2月6日
VIP会员
最新内容
面向2027年及未来的海军情报改革
专知会员服务
3+阅读 · 8月5日
《无人机蜂群:释放人类-蜂群编队的潜能》
专知会员服务
5+阅读 · 8月5日
《战略战术化:一项综合性述评》
专知会员服务
3+阅读 · 8月5日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
18+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员