The remarkable success of transformers in sequence modeling tasks, spanning various applications in natural language processing and computer vision, is attributed to the critical role of self-attention. Similar to the development of most deep learning models, the construction of these attention mechanisms rely on heuristics and experience. In our work, we derive self-attention from kernel principal component analysis (kernel PCA) and show that self-attention projects its query vectors onto the principal component axes of its key matrix in a feature space. We then formulate the exact formula for the value matrix in self-attention, theoretically and empirically demonstrating that this value matrix captures the eigenvectors of the Gram matrix of the key vectors in self-attention. Leveraging our kernel PCA framework, we propose Attention with Robust Principal Components (RPC-Attention), a novel class of robust attention that is resilient to data contamination. We empirically demonstrate the advantages of RPC-Attention over softmax attention on the ImageNet-1K object classification, WikiText-103 language modeling, and ADE20K image segmentation task.


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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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