Architektura Transformer: attention, tokeny i kontekst
Uczą się Państwo śledzić mechanizm self-attention, rozumieć, jak BERT odczytuje całe zdanie jednocześnie zamiast od lewej do prawej, oraz interpretować specjalne tokeny CLS i SEP.
Architektura Transformer: attention, tokeny i kontekst to bezpłatna lekcja Machine Learning Academy na CoddyKit. To lekcja 1 z 4. Możesz przeczytać całą lekcję poniżej za darmo — a potem ćwiczyć ją interaktywnie w przeglądarce z wbudowanym edytorem kodu i tutorem AI dostępnym 24/7. To część ścieżki edukacyjnej Machine Learning Academy, a Twój postęp synchronizuje się między webem a aplikacją CoddyKit. Kurs Machine Learning Academy zawiera 4 lekcji w sumie.
Części tej lekcji nie zostały jeszcze przetłumaczone i są wyświetlane po angielsku.
What Is a Transformer?
The Transformer is a neural network architecture introduced in 2017 that replaced recurrent networks for most NLP tasks. Unlike RNNs that process tokens one at a time, Transformers process the entire sequence in parallel using a mechanism called self-attention. This parallel processing makes training much faster and allows the model to capture long-range dependencies more effectively.
Self-Attention: Relating Every Token
Self-attention allows each token in a sequence to attend to every other token simultaneously. For the sentence 'The bank by the river was steep', the word 'bank' can attend strongly to 'river' to resolve its meaning. Each token produces three vectors: Query (Q), Key (K), and Value (V), which are used to compute weighted relationships between all token pairs.
import torch
import torch.nn.functional as F
# Simplified self-attention for 3 tokens, d_model=4
Q = torch.randn(3, 4) # queries
K = torch.randn(3, 4) # keys
V = torch.randn(3, 4) # values
d_k = Q.shape[-1]
scores = torch.matmul(Q, K.T) / (d_k ** 0.5) # scaled dot product
weights = F.softmax(scores, dim=-1) # attention weights
output = torch.matmul(weights, V) # weighted values
print('Attention weights:', weights)Scaled Dot-Product Attention
The attention score between token i and token j is computed as the dot product of Q_i and K_j, divided by the square root of the key dimension to prevent vanishingly small gradients. The formula is: Attention(Q, K, V) = softmax(QK^T / sqrt(d_k)) * V. The scaling factor sqrt(d_k) keeps gradients stable for large embedding dimensions.
Multi-Head Attention
Instead of one set of Q, K, V projections, Transformers use multi-head attention: h parallel attention heads, each learning different aspects of token relationships. One head might learn syntactic dependencies (subject-verb), another semantic ones (synonyms). The outputs of all heads are concatenated and projected to produce the final representation.
import torch.nn as nn
multihead_attn = nn.MultiheadAttention(
embed_dim=512,
num_heads=8, # 8 heads, each with dim 64
dropout=0.1,
batch_first=True
)
# x shape: (batch, seq_len, 512)
# output shape: (batch, seq_len, 512)
output, attn_weights = multihead_attn(x, x, x)BERT: Bidirectional Context
BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers) reads the entire sequence at once, attending to both left and right context simultaneously. Earlier models like GPT read left-to-right only. This bidirectionality lets BERT understand that 'bank' in 'river bank' differs from 'bank' in 'bank account' by seeing all surrounding words at once.
Special Tokens: CLS and SEP
BERT introduces two special tokens. The [CLS] (classification) token is prepended to every input; after processing, its final hidden state aggregates sentence-level information and is used for classification tasks. The [SEP] token separates two sentences in tasks like question answering or next-sentence prediction. Understanding these tokens is essential when building BERT pipelines.
# Example tokenised input for BERT sentence-pair
# [CLS] I love Python [SEP] Python is great [SEP]
# token_ids: [101, 1045, 2293, 18750, 102, 18750, 2003, 2307, 102]
# segment_ids: [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1 ]
print('CLS token id:', 101)
print('SEP token id:', 102)Positional Encoding: Order Without Recurrence
Because Transformers process all tokens in parallel, they have no inherent sense of token order. Positional encodings are added to each token embedding to inject position information. BERT uses learned positional embeddings while the original Transformer used sinusoidal functions. Without positional encoding, 'cat bites dog' and 'dog bites cat' would produce identical representations.
import torch.nn as nn
# BERT-style learned positional embedding
pos_embedding = nn.Embedding(512, 768) # max 512 positions, d_model=768
positions = torch.arange(seq_len).unsqueeze(0) # (1, seq_len)
pos_enc = pos_embedding(positions) # (1, seq_len, 768)
# Added to token embeddings before feeding to transformer layersEncoder Architecture: Layers and Feed-Forward
Each BERT encoder layer consists of two sub-layers: multi-head self-attention followed by a position-wise feed-forward network (two linear layers with a GELU activation). Each sub-layer has a residual connection and layer normalisation. BERT-base stacks 12 such layers; BERT-large uses 24. Deeper stacks capture more abstract linguistic structure.
Token Embeddings: WordPiece Vocabulary
BERT tokenises text using WordPiece subword tokenisation. Rare words are split into frequent sub-units: 'unbelievable' might become ['un', '##believe', '##able']. The ## prefix indicates a continuation subword. This approach handles out-of-vocabulary words gracefully and uses a vocabulary of ~30,000 tokens, balancing coverage and embedding table size.
from transformers import BertTokenizer
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased')
text = 'unbelievable achievements'
tokens = tokenizer.tokenize(text)
print(tokens) # ['un', '##believ', '##able', 'achievements']
encoded = tokenizer(text, return_tensors='pt')
print('input_ids:', encoded['input_ids'])
print('attention_mask:', encoded['attention_mask'])Attention Mask: Handling Padding
When processing batches of variable-length sentences, shorter sentences are padded with [PAD] tokens to match the longest sequence. The attention mask is a binary tensor (1 for real tokens, 0 for padding) that tells the model to ignore padding positions in the attention computation. Without this mask, the model would attend to meaningless padding tokens and corrupt its representations.
from transformers import BertTokenizer
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased')
batch = ['Short text.', 'This sentence is longer than the first one.']
encoded = tokenizer(batch, padding=True, truncation=True, return_tensors='pt')
print('input_ids shape:', encoded['input_ids'].shape)
print('attention_mask:\n', encoded['attention_mask'])
# Zeros mark padding positionsPre-Training BERT: MLM and NSP
BERT was pre-trained on two tasks. Masked Language Modelling (MLM) randomly masks 15% of tokens and trains BERT to predict the original token from context, forcing bidirectional understanding. Next Sentence Prediction (NSP) trains BERT to determine whether two sentences are consecutive, helping sentence-pair tasks. Fine-tuning then adapts these rich representations to downstream tasks with minimal additional training.
Quick Check
Test your understanding of Machine Learning with Python concepts from this lesson.
Lesson Recap
In this lesson you learned: Transformers use parallel self-attention instead of sequential recurrence, BERT reads bidirectional context using masked language modelling pre-training, and special tokens [CLS] and [SEP] structure BERT's inputs for classification and sentence-pair tasks. Next up we explore how Hugging Face tokenizers encode raw text into the tensor format BERT expects.
Często zadawane pytania
Czy lekcja „Architektura Transformer: attention, tokeny i kontekst” jest bezpłatna?
Tak — pełny tekst „Architektura Transformer: attention, tokeny i kontekst” jest dostępny za darmo tutaj w sieci. Aby ćwiczyć ją interaktywnie (wbudowany edytor kodu i tutor AI dostępny 24/7) i odblokować resztę kursu Machine Learning Academy, przejdź na CoddyKit PRO. Kurs Machine Learning Academy zawiera 4 lekcji w sumie.
Co nauczysz się w „Architektura Transformer: attention, tokeny i kontekst”?
Uczą się Państwo śledzić mechanizm self-attention, rozumieć, jak BERT odczytuje całe zdanie jednocześnie zamiast od lewej do prawej, oraz interpretować specjalne tokeny CLS i SEP. Ćwiczysz Machine Learning Academy z praktycznym kodem, który uruchamiasz bezpośrednio w przeglądarce, a tutor AI dostępny 24/7 odpowiada na Twoje pytania podczas pracy nad lekcją.
Czy potrzebuję doświadczenia, aby zacząć Machine Learning Academy?
Nie wymagamy żadnego doświadczenia. Machine Learning Academy w CoddyKit jest strukturyzowany dla początkujących i zaawansowanych użytkowników, więc możesz zacząć tutaj lub od początku i uczyć się w swoim tempie. To lekcja 1 z 4.
Ile czasu zajmuje lekcja „Architektura Transformer: attention, tokeny i kontekst”?
Większość lekcji CoddyKit trwa około 5–10 minut. Każda lekcja to mały, interaktywny krok, dzięki czemu robisz systematyczne postępy i zawsze wracasz dokładnie do tego samego miejsca — na webie i w aplikacji.
Czy mogę pisać i uruchamiać kod w tej lekcji Machine Learning Academy?
Tak. Każda lekcja Machine Learning Academy zawiera wbudowany edytor kodu, więc piszesz i uruchamiasz prawdziwy kod bezpośrednio w przeglądarce i od razu otrzymujesz sprzężenie zwrotne od AI — bez konfiguracji na komputerze.
Wszystkie lekcje w tym kursie
- Architektura Transformer: attention, tokeny i kontekst
- Tokenizery Hugging Face: kodowanie tekstu dla BERT
- Dostrajanie BertForSequenceClassification
- Ocena i inferencja: od logitów do przewidywanych etykiet