We study attention mechanisms through the lens of a canonical unsupervised problem: principal component analysis (PCA). We show that, when trained on Gaussian data, both softmax and linear attention layers learn parameters that align with the principal eigenvectors of the covariance matrix, thereby establishing a direct and explicit connection with PCA. Our analysis covers both finite and infinite prompt regimes. In the infinite-prompt limit, we prove convergence to globally optimal solutions aligned with the leading spectral direction, while in the finiteprompt setting we show that the same behavior emerges up to sampling effects. We further extend the analysis to an in-context setting with spiked Wishart covariances, where attention successfully recovers the underlying signal direction. These results demonstrate that attention inherently performs PCA-like computations under unsupervised objectives, providing a theoretical foundation for its representation-learning capabilities.


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在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
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