科学空间|Scientific Spaces

今天我们来学习Johnson-Lindenstrauss引理，由于名字比较长，下面都简称“JL引理”。

个人认为，JL引理是每一个计算机科学的同学都必须了解的神奇结论之一，它是一个关于降维的著名的结果，它也是高维空间中众多反直觉的“维度灾难”现象的经典例子之一。可以说，JL引理是机器学习中各种降维、Hash等技术的理论基础，此外，在现代机器学习中，JL引理也为我们理解、调试模型维度等相关参数提供了重要的理论支撑。

对数的维度

JL引理，可以非常通俗地表达为：

通俗版JL引理： 塞下$N$个向量，只需要$\mathcal{O}(\log N)$维空间。

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在《训练1000层的Transformer究竟有什么困难？》中我们介绍了微软提出的能训练1000层Transformer的DeepNet技术。而对于DeepNet，读者一般也有两种反应，一是为此感到惊叹而点赞，另一则是觉得新瓶装旧酒没意思。出现后一种反应的读者，往往是因为DeepNet所提出的两个改进点——增大恒等路径权重和降低残差分支初始化——实在过于稀松平常，并且其他工作也出现过类似的结论，因此很难有什么新鲜感。

诚然，单从结论来看，DeepNet实在算不上多有意思，但笔者觉得，DeepNet的过程远比结论更为重要，它有意思的地方在于提供了一个简明有效的梯度量级分析思路，并可以用于分析很多相关问题，比如本文要讨论的“为什么需要残差”，它就可以给出一个比较贴近本质的答案。

增量爆炸

为什么需要残差？答案是有了残差才更好训练深层模型，这里的深层可能是百层、千层甚至万层。那么问题就变成了为什么没有残差就不容易训练深层模型呢？

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在写生成扩散模型的第一篇文章时，就有读者在评论区推荐了宋飏博士的论文《Score-Based Generative Modeling through Stochastic Differential Equations》，可以说该论文构建了一个相当一般化的生成扩散模型理论框架，将DDPM、SDE、ODE等诸多结果联系了起来。诚然，这是一篇好论文，但并不是一篇适合初学者的论文，里边直接用到了随机微分方程（SDE）、Fokker-Planck方程、得分匹配等大量结果，上手难度还是颇大的。

不过，在经过了前四篇文章的积累后，现在我们可以尝试去学习一下这篇论文了。在接下来的文章中，笔者将尝试从尽可能少的理论基础出发，尽量复现原论文中的推导结果。

随机微分

在DDPM中，扩散过程被划分为了固定的$T$步，还是用《生成扩散模型漫谈（一）：DDPM = 拆楼 + 建楼》的类比来说，就是“拆楼”和“建楼”都被事先划分为了$T$步，这个划分有着相当大的人为性。事实上，真实的“拆”、“建”过程应该是没有刻意划分的步骤的，我们可以将它们理解为一个在时间上连续的变换过程，可以用随机微分方程（Stochastic Differential Equation，SDE）来描述。

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上一篇文章《生成扩散模型漫谈（五）：一般框架之SDE篇》中，我们对宋飏博士的论文《Score-Based Generative Modeling through Stochastic Differential Equations》做了基本的介绍和推导。然而，顾名思义，上一篇文章主要涉及的是原论文中SDE相关的部分，而遗留了被称为“概率流ODE（Probability flow ODE）”的部分内容，所以本文对此做个补充分享。

事实上，遗留的这部分内容在原论文的正文中只占了一小节的篇幅，但我们需要新开一篇文章来介绍它，因为笔者想了很久后发现，该结果的推导还是没办法绕开Fokker-Planck方程，所以我们需要一定的篇幅来介绍Fokker-Planck方程，然后才能请主角ODE登场。

再次反思

我们来大致总结一下上一篇文章的内容：首先，我们通过SDE来定义了一个前向过程（“拆楼”）：
\begin{equation}d\boldsymbol{x} = \boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}) dt + g_t d\boldsymbol{w}\label{eq:sde-forward}\end{equation}

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在《生成扩散模型漫谈（五）：一般框架之SDE篇》中，我们从SDE的角度理解了生成扩散模型，然后在《生成扩散模型漫谈（六）：一般框架之ODE篇》中，我们知道SDE对应的扩散模型中，实际上隐含了一个ODE模型。无独有偶，在《生成扩散模型漫谈（四）：DDIM = 高观点DDPM》中我们也知道原本随机采样的DDPM模型中，也隐含了一个确定性的采样过程DDIM，它的连续极限也是一个ODE。

细想上述过程，可以发现不管是“DDPM→DDIM”还是“SDE→ODE”，都是从随机采样模型过渡到确定性模型，而如果我们一开始的目标就是ODE，那么该过程未免显得有点“迂回”了。在本文中，笔者尝试给出ODE扩散模型的直接推导，并揭示了它与雅可比行列式、热传导方程等内容的联系。

微分方程

像GAN这样的生成模型，它本质上是希望找到一个确定性变换，能将从简单分布（如标准正态分布）采样出来的随机变量，变换为特定数据分布的样本。flow模型也是生成模型之一，它的思路是反过来，先找到一个能将数据分布变换简单分布的可逆变换，再求解相应的逆变换来得到一个生成模型。

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上周笔者写了《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），本以为已经窥见了构建ODE扩散模型的一般规律，结果不久后评论区大神 @gaohuazuo 就给出了一个构建格林函数更高效、更直观的方案，让笔者自愧不如。再联想起之前大神之前在《生成扩散模型漫谈（十二）：“硬刚”扩散ODE》同样也给出了一个关于扩散ODE的精彩描述（间接启发了上一篇博客的结果），大神的洞察力不得不让人叹服。

经过讨论和思考，笔者发现大神的思路本质上就是一阶偏微分方程的特征线法，通过构造特定的向量场保证初值条件，然后通过求解微分方程保证终值条件，同时保证了初值和终值条件，真的非常巧妙！最后，笔者将自己的收获总结成此文，作为上一篇的后续。

前情回顾

简单回顾一下上一篇文章的结果。假设随机变量$\boldsymbol{x}_0\in\mathbb{R}^d$连续地变换成$\boldsymbol{x}_T$，其变化规律服从ODE
\begin{equation}\frac{d\boldsymbol{x}_t}{dt}=\boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}_t)\label{eq-ode}\end{equation}

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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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书接上文，在《生成扩散模型漫谈（十三）：从万有引力到扩散模型》中，我们介绍了一个由万有引力启发的、几何意义非常清晰的ODE式生成扩散模型。有的读者看了之后就疑问：似乎“万有引力”并不是唯一的选择，其他形式的力是否可以由同样的物理绘景构建扩散模型？另一方面，该模型在物理上确实很直观，但还欠缺从数学上证明最后确实能学习到数据分布。

本文就尝试从数学角度比较精确地回答“什么样的力场适合构建ODE式生成扩散模型”这个问题。

基础结论

要回答这个问题，需要用到在《生成扩散模型漫谈（十二）：“硬刚”扩散ODE》中我们推导过的一个关于常微分方程对应的分布变化的结论。

考虑$\boldsymbol{x}_t\in\mathbb{R}^d, t\in[0,T]$的一阶（常）微分方程（组）
\begin{equation}\frac{d\boldsymbol{x}_t}{dt}=\boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}_t)\label{eq:ode}\end{equation}

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