科学空间|Scientific Spaces

用理论物理来卷机器学习已经不是什么新鲜事了，比如上个月介绍的《生成扩散模型漫谈（十三）：从万有引力到扩散模型》就是经典一例。最近一篇新出的论文《Self-Supervised Learning based on Heat Equation》，顾名思义，用热传导方程来做（图像领域的）自监督学习，引起了笔者的兴趣。这种物理方程如何在机器学习中发挥作用？同样的思路能否迁移到NLP中？让我们一起来读读论文。

基本方程

如下图，左边是物理中热传导方程的解，右端则是CAM、积分梯度等显著性方法得到的归因热力图，可以看到两者有一定的相似之处，于是作者认为热传导方程可以作为好的视觉特征的一个重要先验。

热方程的热力图（左）和视觉模型的热力图（右）

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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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历史总是惊人地相似。当初笔者在写《生成扩散模型漫谈（十四）：构建ODE的一般步骤（上）》（当时还没有“上”这个后缀）时，以为自己已经搞清楚了构建ODE式扩散的一般步骤，结果读者 @gaohuazuo 就给出了一个新的直观有效的方案，这直接导致了后续《生成扩散模型漫谈（十四）：构建ODE的一般步骤（中）》（当时后缀是“下”）。而当笔者以为事情已经终结时，却发现ICLR2023的论文《Flow Straight and Fast: Learning to Generate and Transfer Data with Rectified Flow》又给出了一个构建ODE式扩散模型的新方案，其简洁、直观的程度简直前所未有，令人拍案叫绝。所以笔者只好默默将前一篇的后缀改为“中”，然后写了这个“下”篇来分享这一新的结果。

直观结果

我们知道，扩散模型是一个$\boldsymbol{x}_T\to \boldsymbol{x}_0$的演化过程，而ODE式扩散模型则指定演化过程按照如下ODE进行：
\begin{equation}\frac{d\boldsymbol{x}_t}{dt}=\boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}_t)\label{eq:ode}\end{equation}
而所谓构建ODE式扩散模型，就是要设计一个函数$\boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}_t)$，使其对应的演化轨迹构成给定分布$p_T(\boldsymbol{x}_T)$、$p_0(\boldsymbol{x}_0)$之间的一个变换。说白了，我们希望从$p_T(\boldsymbol{x}_T)$中随机采样一个$\boldsymbol{x}_T$，然后按照上述ODE向后演化得到的$\boldsymbol{x}_0$是$\sim p_0(\boldsymbol{x}_0)$的。

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这段时间笔者一直在实验《Google新搜出的优化器Lion：效率与效果兼得的“训练狮”》所介绍的Lion优化器。之所以对Lion饶有兴致，是因为它跟笔者之前的关于理想优化器的一些想法不谋而合，但当时笔者没有调出好的效果，而Lion则做好了。

相比标准的Lion，笔者更感兴趣的是它在$\beta_1=\beta_2$时的特殊例子，这里称之为“Tiger”。Tiger只用到了动量来构建更新量，根据《隐藏在动量中的梯度累积：少更新几步，效果反而更好？》的结论，此时我们不新增一组参数来“无感”地实现梯度累积！这也意味着在我们有梯度累积需求时，Tiger已经达到了显存占用的最优解，这也是“Tiger”这个名字的来源（Tight-fisted Optimizer，抠门的优化器，不舍得多花一点显存）。

此外，Tiger还加入了我们的一些超参数调节经验，以及提出了一个防止模型出现NaN（尤其是混合精度训练下）的简单策略。我们的初步实验显示，Tiger的这些改动，能够更加友好地完成模型（尤其是大模型）的训练。

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自从在《Transformer升级之路：11、将β进制位置进行到底》中引入混合进制的思路进一步推广了NTK-aware Scaled RoPE后，笔者感觉类似思路的效果已经达到了上限，想要更大幅度的提升就必须另辟蹊径了。这时候笔者想起了此前构思过的一个思路，该思路由于复杂度较高所以被搁置下了，既然现在已经遇到了瓶颈，那么“唯一的办法就是最好的办法”，于是便将它重拾起来。

万万没想到的是，尽管该方法增加了一些推理复杂度，但它的实验效果却惊人地好——甚至隐约有无限的长度外推能力！因此，笔者迫不及待地撰写了本文来分享该方法。由于形式上跟ReLU激活函数的相似性，所以笔者将该方法命名为“ReRoPE (Rectified Rotary Position Embeddings)”。

重温

我们知道，RoPE形式上是一种绝对位置编码，但实际上给Attention带来的是相对位置信息，即如下的Toeplitz矩阵：

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在文章《生成扩散模型漫谈（十六）：W距离 ≤ 得分匹配》中，我们推导了Wasserstein距离与扩散模型得分匹配损失之间的一个不等式，表明扩散模型的优化目标与WGAN的优化目标在某种程度上具有相似性。而在本文，我们将探讨《MonoFlow: Rethinking Divergence GANs via the Perspective of Wasserstein Gradient Flows》中的研究成果，它进一步展示了GAN与扩散模型之间的联系：GAN实际上可以被视为在另一个时间维度上的扩散ODE！

这些发现表明，尽管GAN和扩散模型表面上是两种截然不同的生成式模型，但它们实际上存在许多相似之处，并在许多方面可以相互借鉴和参考。

思路简介

我们知道，GAN所训练的生成器是从噪声$\boldsymbol{z}$到真实样本的一个直接的确定性变换$\boldsymbol{g}_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{z})$，而扩散模型的显著特点是“渐进式生成”，它的生成过程对应于从一系列渐变的分布$p_0(\boldsymbol{x}_0),p_1(\boldsymbol{x}_1),\cdots,p_T(\boldsymbol{x}_T)$中采样（注：在前面十几篇文章中，$\boldsymbol{x}_T$是噪声，$\boldsymbol{x}_0$是目标样本，采样过程是$\boldsymbol{x}_T\to \boldsymbol{x}_0$，但为了便于下面的表述，这里反过来改为$\boldsymbol{x}_0\to \boldsymbol{x}_T$）。看上去确实找不到多少相同之处，那怎么才能将两者联系起来呢？

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前些天我们在《VQ一下Key，Transformer的复杂度就变成线性了》介绍了“Transformer-VQ”，这是通过将Key序列做VQ（Vector Quantize）变换来实现Attention复杂度线性化的方案。诚然，Transformer-VQ提供了标准Attention到线性Attentino的一个非常漂亮的过渡，给人一种“大道至简”的美感，但熟悉VQ的读者应该能感觉到，当编码表大小或者模型参数量进一步增加时，VQ很可能会成为效果提升的瓶颈，因为它通过STE（Straight-Through Estimator）估计的梯度大概率是次优的（FSQ的实验结果也算是提供了一些佐证）。此外，Transformer-VQ为了使训练效率也线性化所做的梯度截断，也可能成为将来的效果瓶颈之一。

为此，笔者花了一些时间思考可以替代掉VQ的线性化思路。从Transformer-VQ的$\exp\left(QC^{\top}\right)$形式中，笔者联想到了Performer，继而“顺藤摸瓜”地发现原来Performer可以视为Soft版的Transformer-VQ。进一步地，笔者尝试类比Performer的推导方法来重新导出Transformer-VQ，为其后的优化提供一些参考结果。

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前天晚上微信群里有群友提出了一个问题：

对于一个任意整数$N > 100$，求一个近似算法，使得$N=a\times b+c$（其中$a,b,c$都是非负整数），并且令$a+b+c$尽量地小。

初看这道题，笔者第一感觉就是“这还需要算法？”，因为看上去自由度太大了，应该能求出个解析解才对，于是简单分析了一下之后就给出了个“答案”，结果很快就有群友给出了反例。这时，笔者才意识到这题并非那么平凡，随后正式推导了一番，总算得到了一个可行的算法。正当笔者以为这个问题已经结束时，另一个数学群的群友精妙地构造了新的参数化，证明了算法的复杂度还可以进一步下降！

整个过程波澜起伏，让笔者获益匪浅，遂将过程记录在此，与大家分享。

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