科学空间|Scientific Spaces

回过头来看，才发现从第7篇《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》开始，“Transformer升级之路”这个系列就跟长度外推“杠”上了，接连9篇文章（不算本文）都是围绕长度外推展开的。如今，距离第7篇文章刚好是一年多一点，在这一年间，开源社区关于长度外推的研究有了显著进展，笔者也逐渐有了一些自己的理解，比如其实这个问题远不像一开始想象那么简单，以往很多基于局部注意力的工作也不总是有效，这暗示着很多旧的分析工作并没触及问题的核心。

在这篇文章中，笔者尝试结合自己的发现和认识，去“复盘”一下主流的长度外推结果，并试图从中发现免训练长度外推的关键之处。

问题定义

顾名思义，免训练长度外推，就是不需要用长序列数据进行额外的训练，只用短序列语料对模型进行训练，就可以得到一个能够处理和预测长序列的模型，即“Train Short, Test Long”。那么如何判断一个模型能否用于长序列呢？最基本的指标就是模型的长序列Loss或者PPL不会爆炸，更加符合实践的评测则是输入足够长的Context，让模型去预测答案，然后跟真实答案做对比，算BLEU、ROUGE等，LongBench就是就属于这类榜单。

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前段时间，一个名为“幂等生成网络（Idempotent Generative Network，IGN）”的生成模型引起了一定的关注。它自称是一种独立于已有的VAE、GAN、flow、Diffusion之外的新型生成模型，并且具有单步采样的特点。也许是大家苦于当前主流的扩散模型的多步采样生成过程久矣，因此任何声称可以实现单步采样的“风吹草动”都很容易吸引人们的关注。此外，IGN名称中的“幂等”一词也增加了它的神秘感，进一步扩大了人们的期待，也成功引起了笔者的兴趣，只不过之前一直有别的事情要忙，所以没来得及认真阅读模型细节。

最近闲了一点，想起来还有个IGN没读，于是重新把论文翻了出来，但阅读之后却颇感困惑：这哪里是个新模型，不就是个GAN的变种吗？跟常规GAN不同的是，它将生成器和判别器合二为一了。那这个“合二为一”是不是有什么特别的好处，比如训练更稳定？个人又感觉没有。下面将分享笔者从GAN角度理解IGN的过程和疑问。

生成对抗

关于GAN（Generative Adversarial Network，生成对抗网络），笔者前几年系统地学习过一段时间（查看GAN标签可以查看到相关文章），但近几年没有持续地关注了，因此这里先对GAN做个简单的回顾，也方便后续章节中我们对比GAN与IGN之间的异同。

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上一篇文章《生成扩散模型漫谈（二十二）：信噪比与大图生成（上）》中，我们介绍了通过对齐低分辨率的信噪比来改进noise schedule，从而改善直接在像素空间训练的高分辨率图像生成（大图生成）的扩散模型效果。而这篇文章的主角同样是信噪比和大图生成，但做到了更加让人惊叹的事情——直接将训练好低分辨率图像的扩散模型用于高分辨率图像生成，不用额外的训练，并且效果和推理成本都媲美直接训练的大图模型！

这个工作出自最近的论文《Upsample Guidance: Scale Up Diffusion Models without Training》，它巧妙地将低分辨率模型上采样作为引导信号，并结合了CNN对纹理细节的平移不变性，成功实现了免训练高分辨率图像生成。

思想探讨

我们知道，扩散模型的训练目标是去噪（Denoise，也是DDPM的第一个D）。按我们的直觉，去噪这个任务应该是分辨率无关的，换句话说，理想情况下低分辨率图像训练的去噪模型应该也能用于高分辨率图像去噪，从而低分辨率的扩散模型应该也能直接用于高分辨率图像生成。

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书接上文，在上一篇文章《重温SSM（一）：线性系统和HiPPO矩阵》中，我们详细讨论了HiPPO逼近框架其HiPPO矩阵的推导，其原理是通过正交函数基来动态地逼近一个实时更新的函数，其投影系数的动力学正好是一个线性系统，而如果以正交多项式为基，那么线性系统的核心矩阵我们可以解析地求解出来，该矩阵就称为HiPPO矩阵。

当然，上一篇文章侧重于HiPPO矩阵的推导，并没有对它的性质做进一步分析，此外诸如“如何离散化以应用于实际数据”、“除了多项式基外其他基是否也可以解析求解”等问题也没有详细讨论到。接下来我们将补充探讨相关问题。

离散格式

假设读者已经阅读并理解上一篇文章的内容，那么这里我们就不再进行过多的铺垫。在上一篇文章中，我们推导出了两类线性ODE系统，分别是：
\begin{align}
&\text{HiPPO-LegT:}\quad x'(t) = Ax(t) + Bu(t) \label{eq:legt-ode}\\[5pt]
&\text{HiPPO-LegS:}\quad x'(t) = \frac{A}{t}x(t) + \frac{B}{t}u(t) \label{eq:legs-ode}\end{align}
其中$A,B$是与时间$t$无关的常数矩阵，HiPPO矩阵主要指矩阵$A$。在这一节中，我们讨论这两个ODE的离散化。

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前面我们用两篇文章《重温SSM（一）：线性系统和HiPPO矩阵》和《重温SSM（二）：HiPPO的一些遗留问题》介绍了HiPPO的思想和推导——通过正交函数基对持续更新的函数进行实时逼近，其拟合系数的动力学正好可以表示为一个线性ODE系统，并且对于特定的基底以及逼近方式，我们可以将线性系统的关键矩阵精确地算出来。此外，我们还讨论了HiPPO的离散化和相关性质等问题，这些内容奠定了后续的SSM工作的理论基础。

接下来，我们将介绍HiPPO的后续应用篇《Efficiently Modeling Long Sequences with Structured State Spaces》（简称S4），它利用HiPPO的推导结果作为序列建模的基本工具，并从新的视角探讨了高效的计算和训练方式，最后在不少长序列建模任务上验证了它的有效性，可谓SSM乃至RNN复兴的代表作之一。

基本框架

S4使用的序列建模框架，是如下的线性ODE系统：
\begin{equation}\begin{aligned}
x'(t) =&\, A x(t) + B u(t) \\
y(t) =&\, C^* x(t) + D u(t)
\end{aligned}\end{equation}

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在前三篇文章中，我们较为详细地讨论了HiPPO和S4的大部分数学细节。那么，对于接下来的第四篇文章，大家预期我们会讨论什么工作呢？S5、Mamba乃至Mamba2？都不是。本系列文章主要关心SSM的数学基础，旨在了解SSM的同时也补充自己的数学能力。而在上一篇文章我们简单提过S5和Mamba，S5是S4的简化版，相比S4基本上没有引入新的数学技巧，而Mamba系列虽然表现优异，但它已经将$A$简化为对角矩阵，所用到的数学技巧就更少了，它更多的是体现了工程方面的能力。

这篇文章我们来学习一篇暂时还声名不显的新工作《State-Free Inference of State-Space Models: The Transfer Function Approach》（简称RFT），它提出了一个新方案，将SSM的训练、推理乃至参数化，都彻底转到了生成函数空间中，为SSM的理解和应用开辟了新的视角

基础回顾

首先我们简单回顾一下上一篇文章关于S4的探讨结果。S4基于如下线性RNN
\begin{equation}\begin{aligned}
x_{k+1} =&\, \bar{A} x_k + \bar{B} u_k \\
y_{k+1} =&\, \bar{C}^* x_{k+1} \\
\end{aligned}\label{eq:linear}\end{equation}

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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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可能很多读者跟笔者一样，对矩阵的低秩近似有种熟悉而又陌生的感觉。熟悉是因为，低秩近似的概念和意义都不难理解，加之目前诸如LoRA等基于低秩近似的微调技术遍地开花，让低秩近似的概念在耳濡目染间就已经深入人心；然而，低秩近似所覆盖的内容非常广，在低秩近似相关的论文中时常能看到一些不熟悉但又让我们叹为观止的新技巧，这就导致了一种似懂非懂的陌生感。

因此，在这个系列文章中，笔者将试图系统梳理一下矩阵低秩近似相关的理论内容，以补全对低秩近似的了解。而在第一篇文章中，我们主要介绍低秩近似系列中相对简单的一个概念——伪逆。

优化视角

伪逆（Pseudo Inverse），也称“广义逆（Generalized Inverse）”，顾名思义就是“广义的逆矩阵”，它实际上是“逆矩阵”的概念对于不可逆矩阵的推广。

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