科学空间|Scientific Spaces

前两天，QQ群里有群友抛出了一道不等式求证：

一道概率相关的不等式，出自《There is no fast single hashing algorithm》

简短的题目，加上“easily”的提示，让人觉得这似乎是显然成立的结果，然而提问者却表示尝试了很久仍未果。那么实际情况如何呢？是否真的是显然成立呢？

初步尝试

题目等价于证
\begin{equation}\sum_{i=0}^j p^i \leq \sum_{i=0}^j \left(\log\frac{1}{1-p}\right)^i/i!,\qquad p\in[0, 1)\label{eq:q}\end{equation}

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Softmax，顾名思义是“soft的max”，是$\max$算子（准确来说是$\text{argmax}$）的光滑近似，它通过指数归一化将任意向量$\boldsymbol{x}\in\mathbb{R}^n$转化为分量非负且和为1的新向量，并允许我们通过温度参数来调节它与$\text{argmax}$（的one hot形式）的近似程度。除了指数归一化外，我们此前在《通向概率分布之路：盘点Softmax及其替代品》也介绍过其他一些能实现相同效果的方案。

我们知道，最大值通常又称Top-1，它的光滑近似方案看起来已经相当成熟，那读者有没有思考过，一般的Top-$k$的光滑近似又是怎么样的呢？下面让我们一起来探讨一下这个问题。

问题描述

设向量$\boldsymbol{x}=(x_1,x_2,\cdots,x_n)\in\mathbb{R}^n$，简单起见我们假设它们两两不相等，即$i\neq j \Leftrightarrow x_i\neq x_j$。记$\Omega_k(\boldsymbol{x})$为$\boldsymbol{x}$最大的$k$个分量的下标集合，即$|\Omega_k(\boldsymbol{x})|=k$以及$\forall i\in \Omega_k(\boldsymbol{x}), j \not\in \Omega_k(\boldsymbol{x})\Rightarrow x_i > x_j$。我们定义Top-$k$算子$\mathcal{T}_k$为$\mathbb{R}^n\mapsto\{0,1\}^n$的映射：
\begin{equation}
[\mathcal{T}_k(\boldsymbol{x})]_i = \left\{\begin{aligned}1,\,\, i\in \Omega_k(\boldsymbol{x}) \\ 0,\,\, i \not\in \Omega_k(\boldsymbol{x})\end{aligned}\right.
\end{equation}
说白了，如果$x_i$属于最大的$k$个元素之一，那么对应的位置变成1，否则变成0，最终结果是一个Multi-Hot向量，比如$\mathcal{T}_2([3,2,1,4]) = [1,0,0,1]$。

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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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