科学空间|Scientific Spaces

当要求函数的最小值时，我们通常会先求导函数然后寻找其零点，比较幸运的情况下，这些零点之一正好是原函数的最小值点。如果是向量函数，则将导数改为梯度并求其零点。当梯度零点不易求得时，我们可以使用梯度下降来逐渐逼近最小值点。

以上这些都是无约束优化的基础结果，相信不少读者都有所了解。然而，本文的主题是概率空间中的优化，即目标函数的输入是一个概率分布，这类目标的优化更为复杂，因为它的搜索空间不再是无约束的，如果我们依旧去求解梯度零点或者执行梯度下降，所得结果未必能保证是一个概率分布。因此，我们需要寻找一种新的分析和计算方法，以确保优化结果能够符合概率分布的特性。

对此，笔者一直以来也感到颇为头疼，所以近来决定”痛定思痛“，针对概率分布的优化问题系统学习了一番，最后将学习所得整理在此，供大家参考。

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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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在文章《随机分词浅探：从Viterbi Decoding到Viterbi Sampling》中，笔者提出了一种名为“Viterbi Sampling”的随机分词算法，它只是在求最优解的Viterbi Decoding基础上进行小修改，保留了Viterbi算法的简单快速的特点，相比于已有的Subword Regularization明显更加高效。不过，知乎上的读者 @鶴舞 指出，当前的采样算法可能会在多次二选一“稀释”了部分方案的出现概率，直接后果是原本分数最高的切分并不是以最高概率出现。

经过仔细思考后，笔者发现相应的问题确实存在，当时为了尽快得到一种新的采样算法，在细节上的思考和处理确实比较粗糙。为此，本文将进一步完善Viterbi Sampling算法，并证明完善后的算法在效果上可以跟Subword Regularization等价的。

问题分析

首先，我们来看一下评论原话：

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众所周知，分类任务的标准损失是交叉熵（Cross Entropy，等价于最大似然MLE，即Maximum Likelihood Estimation），它有着简单高效的特点，但在某些场景下也暴露出一些问题，如偏离评价指标、过度自信等，相应的改进工作也有很多，此前我们也介绍过一些，比如《再谈类别不平衡问题：调节权重与魔改Loss的对比联系》、《如何训练你的准确率？》、《缓解交叉熵过度自信的一个简明方案》等。由于LLM的训练也可以理解为逐token的分类任务，默认损失也是交叉熵，因此这些改进工作在LLM流行的今天依然有一定的价值。

在这篇文章中，我们介绍一篇名为《EMO: Earth Mover Distance Optimization for Auto-Regressive Language Modeling》的工作，它基于最优传输思想提出了新的改进损失函数EMO，声称能大幅提高LLM的微调效果。其中细节如何？让我们一探究竟。

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上一篇文章《大词表语言模型在续写任务上的一个问题及对策》发布后，很快就有读者指出可以在训练阶段引入带有随机性的分词结果来解决同样的问题，并且已经有论文和实现。经过进一步查阅学习，笔者发现这是一个名为Subword Regularization的技巧，最早应用在NMT（机器翻译）中，目前SentencePiece也有相应的实现。看起来这个技巧确实能缓解前述问题，甚至有助于增强语言模型的容错能力，所以就有了将它加进去BytePiece的想法。

那么问题来了，如何将确定性分词改为随机性分词呢？BytePiece是基于Unigram模型的，它通过Viterbi算法找最大概率的分词方案，既然有概率，是否就可以自然地导出随机采样？本文来讨论这个问题，并分享自己的解决方案。

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对于LLM来说，通过增大Tokenizer的词表来提高压缩率，从而缩短序列长度、降低解码成本，是大家都喜闻乐见的事情。毕竟增大词表只需要增大Embedding层和输出的Dense层，这部分增加的计算量几乎不可感知，但缩短序列长度之后带来的解码速度提升却是实打实的。当然，增加词表大小也可能会对模型效果带来一些负面影响，所以也不能无节制地增加词表大小。本文就来分析增大词表后语言模型在续写任务上会出现的一个问题，并提出参考的解决方案。

优劣分析

增加词表大小的好处是显而易见的。一方面，由于LLM是自回归的，它的解码会越来越慢，而“增大词表 → 提高压缩率 → 缩短序列长度”，换言之相同文本对应的tokens数变少了，也就是解码步数变少了，从而解码速度提升了；另一方面，语言模型的训练方式是Teacher Forcing，缩短序列长度能够缓解Teacher Forcing带来的Exposure Bias问题，从而可能提升模型效果。

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在机器学习中，我们经常会谈到稀疏性，比如我们经常说注意力矩阵通常是很稀疏的。然而，不知道大家发现没有，我们似乎从没有给出过度量稀疏程度的标准方法。也就是说，以往我们关于稀疏性的讨论，仅仅是直观层面的感觉，并没有过定量分析。那么问题来了，稀疏性的度量有标准方法了吗？

经过搜索，笔者发现确实是有一些可用的指标，比如$l_1/l_2$、熵等，但由于关注视角的不同，在稀疏性度量方面并没有标准答案。本文简单记录一下笔者的结果。

基本结果

狭义上来讲，“稀疏”就是指数据中有大量的零，所以最简单的稀疏性指标就是统计零的比例。但如果仅仅是这样的话，注意力矩阵就谈不上稀疏了，因为softmax出来的结果一定是正数。所以，有必要推广稀疏的概念。一个朴素的想法是统计绝对值不超过$\epsilon$的元素比例，但这个$\epsilon$怎么确定呢？

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