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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之前在《智能家居之热水器零冷水技术原理浅析》，我们详细介绍过零冷水的原理，最后指出当时市面上只有名为“爱喜易”的设备实现了文章介绍的理想设计，笔者前两年也一直在用它。然而，笔者的该套装置最近出现了故障，加之无法接入米家，所以也不大想修了，另外“爱喜易”的新版设备也越来越贵，颇有一种“屠龙少年终成恶龙”的感觉。

所以，笔者决定按照相同的原理，手搓一套能接入米家的零冷水装置，并将制作过程简要记录如下。

有回水管

当然，说是“手搓”，实际上只是把各种现成配件组装在一起，成为一个完整的系统。实际上理解了前文后，制作思路并不难，只不过由于非专业原因，有些配件可能大家不知道怎么搜索和购买。

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持续将“Transformer升级之路”系列关注到本篇的读者，想必都已经对旋转位置编码（RoPE）有所了解。简单来说，RoPE是施加在Attention的Query（$\boldsymbol{Q}$）和Key（$\boldsymbol{K}$）上的旋转变换，形式上属于绝对位置编码，但结合Attention的内积（Dot-Product）特性，能够自动实现相对位置的效果。

那么，RoPE可以加在Value（$\boldsymbol{V}$）上吗？看上去不可以，因为对$\boldsymbol{V}$旋转后就不是相对位置编码了。然而事情并没有那么绝对，本文就来讨论加在$\boldsymbol{V}$上RoPE，我们可以称之为“第二类旋转位置编码”。

基础回顾

我们将Dot-Product Attention分解为
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \sum_j a_{i,j}\boldsymbol{v}_j,\qquad a_{i,j} = \frac{e^{s_{i,j}}}{\sum\limits_j e^{s_{i,j}}},\qquad s_{i,j} = \boldsymbol{q}_i^{\top}\boldsymbol{k}_j\end{equation}

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秩（Rank）是线性代数中的重要概念，它代表了矩阵的内在维度。然而，数学上对秩的严格定义，很多时候并不完全适用于数值计算场景，因为秩等于非零奇异值的个数，而数学上对“等于零”这件事的理解跟数值计算有所不同，数学上的“等于零”是绝对地、严格地等于零，哪怕是$10^{-100}$也是不等于零，但数值计算不一样，很多时候$10^{-10}$就可以当零看待。

因此，我们希望将秩的概念推广到更符合数值计算特性的形式，这便是有效秩（Effective Rank）概念的由来。

误差截断

需要指出的是，目前学术界对有效秩并没有统一的定义，接下来我们介绍的是一些从不同角度切入来定义有效秩的思路。对于实际问题，读者可以自行选择适合的定义来使用。

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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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前两篇文章我们都在讨论负载均衡，其中在《MoE环游记：3、换个思路来分配》介绍Loss-Free方案时，笔者留了一个悬念：它引入的Bias项有一个冗余的自由度，这个自由度可以用来做另外有趣的事情。这篇文章我们就来讨论这件事。

我们知道，MoE是为每个Token只选择最匹配的$k$个Expert来进行计算，从而在增大参数量的同时还节省了计算量。然而，当我们仔细思考就会发现，这个策略实际上有明显的可改进之处：直观来看，每个Token的难度并不一样，所以更合理的方案应该是难的Token分配更多的计算资源，简单的token分配更少的资源，这样或许能在同样有限的资源下将效果最大化。

而刚才提到的Bias的额外自由度，恰好可以用来简单地实现这个目标。

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在文章《初探muP：超参数的跨模型尺度迁移规律》中，我们基于前向传播、反向传播、损失增量和特征变化的尺度不变性推导了muP（Maximal Update Parametrization）。可能对于部分读者来说，这一过程还是显得有些繁琐，但实际上它比原始论文已经明显简化。要知道，我们是在单篇文章内相对完整地介绍的muP，而muP的论文实际上是作者Tensor Programs系列论文的第5篇！

不过好消息是，作者在后续的研究《A Spectral Condition for Feature Learning》中，发现了一种新的理解方式（下称“谱条件”），它比muP的原始推导和笔者的推导都更加直观和简洁，但却能得到比muP更丰富的结果，可谓muP的高阶版本，简明且不失高明的代表作。

准备工作

顾名思义，谱条件（Spectral Condition）跟谱范数（Spectral Norm）相关，它的出发点是谱范数的一个基本不等式：
\begin{equation}\Vert\boldsymbol{x}\boldsymbol{W}\Vert_2\leq \Vert\boldsymbol{x}\Vert_2 \Vert\boldsymbol{W}\Vert_2\label{neq:spec-2}\end{equation}

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众所周知，完整训练一次大型LLM的成本是昂贵的，这就决定了我们不可能直接在大型LLM上反复测试超参数。一个很自然的想法是希望可以在同结构的小模型上仔细搜索超参数，找到最优组合后直接迁移到大模型上。尽管这个想法很朴素，但要实现它并不平凡，它需要我们了解常见的超参数与模型尺度之间的缩放规律，而muP正是这个想法的一个实践。

muP，有时也写$\mu P$，全名是Maximal Update Parametrization，出自论文《Tensor Programs V: Tuning Large Neural Networks via Zero-Shot Hyperparameter Transfer》，随着LLM训练的普及，它逐渐已经成为了科学炼丹的事实标配之一。

方法大意

在接入主题之前，必须先吐槽一下muP原论文写得实在太过晦涩，并且结论的表达也不够清晰，平白增加了不少理解难度，所以接下来笔者尽量以一种（自认为）简明扼要的方式来复现muP的结论。

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