We study the dynamics of gradient flow for training a multi-head softmax attention model for in-context learning of multi-task linear regression. We establish the global convergence of gradient flow under suitable choices of initialization. In addition, we prove that an interesting "task allocation" phenomenon emerges during the gradient flow dynamics, where each attention head focuses on solving a single task of the multi-task model. Specifically, we prove that the gradient flow dynamics can be split into three phases -- a warm-up phase where the loss decreases rather slowly and the attention heads gradually build up their inclination towards individual tasks, an emergence phase where each head selects a single task and the loss rapidly decreases, and a convergence phase where the attention parameters converge to a limit. Furthermore, we prove the optimality of gradient flow in the sense that the limiting model learned by gradient flow is on par with the best possible multi-head softmax attention model up to a constant factor. Our analysis also delineates a strict separation in terms of the prediction accuracy of ICL between single-head and multi-head attention models. The key technique for our convergence analysis is to map the gradient flow dynamics in the parameter space to a set of ordinary differential equations in the spectral domain, where the relative magnitudes of the semi-singular values of the attention weights determines task allocation. To our best knowledge, our work provides the first convergence result for the multi-head softmax attention model.


翻译:我们研究了对用于多任务线性回归上下文学习的多头softmax注意力模型进行梯度流的动力学过程。我们证明了在合适的初始化选择下,梯度流的全局收敛性。此外,我们证明梯度流动力学过程中会出现一个有趣的"任务分配"现象,其中每个注意力头专注于解决多任务模型中的单个任务。具体而言,我们证明梯度流动力学可划分为三个阶段——预热阶段(损失下降较慢,注意力头逐渐建立对单个任务的偏好)、涌现阶段(每个头选择单个任务,损失快速下降)以及收敛阶段(注意力参数收敛至极限)。进一步地,我们证明了梯度流的最优性:梯度流学习得到的极限模型与最优多头softmax注意力模型在常数因子范围内性能相当。我们的分析还刻画了单头与多头注意力模型在上下文学习预测精度上的严格分离。收敛分析的关键技术是将参数空间中的梯度流动力学映射到谱域中的一组常微分方程,其中注意力权重半奇异值的相对大小决定了任务分配。据我们所知,本文首次为多头softmax注意力模型提供了收敛性结果。

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
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+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
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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
2+阅读 · 2017年12月31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
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
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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
2025年大语言模型进展报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天13:30
多智能体协作机制
专知会员服务
1+阅读 · 今天13:26
非对称优势:美海军开发低成本反无人机技术
专知会员服务
4+阅读 · 今天4:39
《美战争部小企业创新研究(SBIR)计划》
专知会员服务
6+阅读 · 今天2:48
《军事模拟:将军事条令与目标融入AI智能体》
专知会员服务
9+阅读 · 今天2:43
【NTU博士论文】3D人体动作生成
专知会员服务
7+阅读 · 4月24日
以色列军事技术对美国军力发展的持续性赋能
专知会员服务
8+阅读 · 4月24日
《深度强化学习在兵棋推演中的应用》40页报告
专知会员服务
14+阅读 · 4月24日
《多域作战面临复杂现实》
专知会员服务
10+阅读 · 4月24日
《印度的多域作战:条令与能力发展》报告
专知会员服务
5+阅读 · 4月24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
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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
2+阅读 · 2017年12月31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
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
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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员