科学空间|Scientific Spaces

SVD（Singular Value Decomposition，奇异值分解）是常见的矩阵分解算法，相信很多读者都已经对它有所了解，此前我们在《低秩近似之路（二）：SVD》也专门介绍过它。然而，读者是否想到，SVD竟然还可以求导呢？笔者刚了解到这一结论时也颇感意外，因为直觉上“分解”往往都是不可导的。但事实是，SVD在一般情况下确实可导，这意味着理论上我们可以将SVD嵌入到模型中，并用基于梯度的优化器来端到端训练。

问题来了，既然SVD可导，那么它的导函数长什么样呢？接下来，我们将参考文献《Differentiating the Singular Value Decomposition》，逐步推导SVD的求导公式。

推导基础

假设$\boldsymbol{W}$是满秩的$n\times n$矩阵，且全体奇异值两两不等，这是比较容易讨论的情形，后面我们也会讨论哪些条件可以放宽一点。接着，我们设$\boldsymbol{W}$的SVD为：
\begin{equation}\boldsymbol{W} = \boldsymbol{U}\boldsymbol{\Sigma}\boldsymbol{V}^{\top}\end{equation}

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不知道大家有没有留意到前段时间的《Transformers without Normalization》？这篇论文试图将Transformer模型中的Normalization层用一个Element-wise的运算DyT替代，以期能提高速度并保持效果。这种基础架构的主题本身自带一点吸引力，加之Kaiming He和Yann LeCun两位大佬挂名，所以这篇论文发布之时就引起了不少围观，评价也是有褒有贬。

无独有偶，上周的一篇新论文《The Mathematical Relationship Between Layer Normalization and Dynamic Activation Functions》从梯度分析和微分方程的视角解读了DyT，并提出了新的替代品。个人感觉这个理解角度非常本质，遂学习和分享一波。

写在前面

DyT全称是Dynamic Tanh，它通过如下运算来替代Normalization层：
\begin{equation}\mathop{\text{DyT}}(\boldsymbol{x}) = \boldsymbol{\gamma} \odot \tanh(\alpha \boldsymbol{x}) + \boldsymbol{\beta}\end{equation}

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不论是在基础的分类任务中，还是如今无处不在的注意力机制中，概率分布的构建都是一个关键步骤。具体来说，就是将一个$n$维的任意向量，转换为一个$n$元的离散型概率分布。众所周知，这个问题的标准答案是Softmax，它是指数归一化的形式，相对来说比较简单直观，同时也伴有很多优良性质，从而成为大部分场景下的“标配”。

尽管如此，Softmax在某些场景下也有一些不如人意之处，比如不够稀疏、无法绝对等于零等，因此很多替代品也应运而生。在这篇文章中，我们将简单总结一下Softmax的相关性质，并盘点和对比一下它的部分替代方案。

Softmax回顾

首先引入一些通用记号：$\boldsymbol{x} = (x_1,x_2,\cdots,x_n)\in\mathbb{R}^n$是需要转为概率分布的$n$维向量，它的分量可正可负，也没有限定的上下界。$\Delta^{n-1}$定义为全体$n$元离散概率分布的集合，即
\begin{equation}\Delta^{n-1} = \left\{\boldsymbol{p}=(p_1,p_2,\cdots,p_n)\left|\, p_1,p_2,\cdots,p_n\geq 0,\sum_{i=1}^n p_i = 1\right.\right\}\end{equation}
之所以标注$n-1$而不是$n$，是因为约束$\sum\limits_{i=1}^n p_i = 1$定义了$n$维空间中的一个$n-1$维子平面，再加上$p_i\geq 0$的约束，$(p_1,p_2,\cdots,p_n)$的集合就只是该平面的一个子集，即实际维度只有$n-1$。

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在《“闭门造车”之多模态思路浅谈（一）：无损输入》中我们曾提到，图像生成的本质困难是没有一个连续型概率密度的万能拟合器。当然，也不能说完全没有，比如高斯混合模型（GMM）理论上就是可以拟合任意概率密度，就连GAN本质上也可以理解为混合了无限个高斯模型的GMM。然而，GMM尽管理论上的能力是足够的，但它的最大似然估计会很困难，尤其是通常不适用基于梯度的优化器，这限制了它的使用场景。

近日，Google的一篇新论文《Fourier Basis Density Model》针对一维情形，提出了一个新的解决方案——用傅里叶级数来拟合。论文的分析过程颇为有趣，构造形式也很是巧妙，值得学习一番。

问题简述

可能有读者质疑：只研究一维情形有什么价值？确实，如果只考虑图像生成场景，那可能真的价值有限，但一维概率密度估计本身有它的应用价值，如数据的有损压缩，所以它依然是一个值得研究的主题。再者，即便我们需要研究多维的概率密度，也可以通过自回归的方式转化为多个一维的条件概率密度来估计。最后，这个分析和构造过程本身就很值得回味，所以哪怕是仅仅作为一道数学分析题来练习也是相当有益的。

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尺度定律（Scaling Law），指的是模型能力与模型尺度之间的渐近关系。具体来说，模型能力我们可以简单理解为模型的损失函数，模型尺度可以指模型参数量、训练数据量、训练步数等，所谓尺度定律，就是研究损失函数跟参数量、数据量、训练步数等变量的大致关系。《Scaling Laws for Neural Language Models》、《Training Compute-Optimal Large Language Models》等工作的实验结果表明，神经网络的尺度定律多数呈现“幂律（Power law）”的形式。

为什么会是幂律呢？能否从理论上解释呢？论文《The Quantization Model of Neural Scaling》基于“量子化”假设给出了一个颇为有趣的推导。本文一同来欣赏一下。

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LLM是“Large Language Model”的简写，目前一般指百亿参数以上的语言模型，主要面向文本生成任务。跟小尺度模型（10亿或以内量级）的“百花齐放”不同，目前LLM的一个现状是Decoder-only架构的研究居多，像OpenAI一直坚持Decoder-only的GPT系列就不说了，即便是Google这样的并非全部押注在Decoder-only的公司，也确实投入了不少的精力去研究Decoder-only的模型，如PaLM就是其中之一。那么，为什么Decoder-only架构会成为LLM的主流选择呢？

知乎上也有同款问题《为什么现在的LLM都是Decoder only的架构？》，上面的回答大多数聚焦于Decoder-only在训练效率和工程实现上的优势，那么它有没有理论上的优势呢？本文试图从这个角度进行简单的分析。

统一视角

需要指出的是，笔者目前训练过的模型，最大也就是10亿级别的，所以从LLM的一般概念来看是没资格回答这个问题的，下面的内容只是笔者根据一些研究经验，从偏理论的角度强行回答一波。文章多数推论以自己的实验结果为引，某些地方可能会跟某些文献的结果冲突，请读者自行取舍。

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在前面的介绍中，我们多次提及“得分匹配”和“条件得分匹配”，它们是扩散模型、能量模型等经常出现的概念，特别是很多文章直接说扩散模型的训练目标是“得分匹配”，但事实上当前主流的扩散模型如DDPM的训练目标是“条件得分匹配”才对。

那么“得分匹配”与“条件得分匹配”具体是什么关系呢？它们两者是否等价呢？本文详细讨论这个问题。

得分匹配

首先，得分匹配（Score Matching）是指训练目标：
\begin{equation}\mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_t\sim p_t(\boldsymbol{x}_t)}\left[\left\Vert\nabla_{\boldsymbol{x}_t}\log p_t(\boldsymbol{x}_t) - \boldsymbol{s}_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t,t)\right\Vert^2\right]\label{eq:sm}\end{equation}
其中$\boldsymbol{\theta}$是训练参数。很明显，得分匹配是想学习一个模型$\boldsymbol{s}_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t,t)$来逼近$\nabla_{\boldsymbol{x}_t}\log p_t(\boldsymbol{x}_t)$，这里的$\nabla_{\boldsymbol{x}_t}\log p_t(\boldsymbol{x}_t)$我们就称为“得分”。

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昨天在Arixv上发现了Google新发的一篇论文《Symbolic Discovery of Optimization Algorithms》，主要是讲自动搜索优化器的，咋看上去没啥意思，因为类似的工作也有不少，大多数结果都索然无味。然而，细读之下才发现别有洞天，原来作者们通过数千TPU小时的算力搜索并结合人工干预，得到了一个速度更快、显存更省的优化器Lion（EvoLved Sign Momentum，不得不吐槽这名字起得真勉强），并在图像分类、图文匹配、扩散模型、语言模型预训练和微调等诸多任务上做了充分的实验，多数任务都显示Lion比目前主流的AdamW等优化器有着更好的效果。

更省显存还更好效果，真可谓是鱼与熊掌都兼得了，什么样的优化器能有这么强悍的性能？本文一起来欣赏一下论文的成果。

先说结果

本文主要关心搜索出来的优化器本身，所以关于搜索过程的细节就不讨论了，对此有兴趣读者自行看原论文就好。Lion优化器的更新过程为
\begin{equation}\text{Lion}:=\left\{\begin{aligned}
&\boldsymbol{u}_t = \text{sign}\big(\beta_1 \boldsymbol{m}_{t-1} + \left(1 - \beta_1\right) \boldsymbol{g}_t\big) \\
&\boldsymbol{\theta}_t = \boldsymbol{\theta}_{t-1} - \eta_t (\boldsymbol{u}_t \color{skyblue}{ + \lambda_t \boldsymbol{\theta}_{t-1}}) \\
&\boldsymbol{m}_t = \beta_2 \boldsymbol{m}_{t-1} + \left(1 - \beta_2\right) \boldsymbol{g}_t
\end{aligned}\right.\end{equation}

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