科学空间|Scientific Spaces

一些铺垫

自Cool Papers上线以来，很多用户就建议笔者加入搜索功能，后面也确实在前端用JS简单做了个页面内搜索，解决了部分用户的需求，但仍有读者希望引入更完整的全局搜索。诚然，笔者理解这个需求确实是存在，但Cool Papers的数据是逐天累积的，目前才上线一个月，论文数并不多，建立一个大而全的搜索引擎意义不大，其次做搜索也不是笔者的强项，以及并没有很好的利用LLM优化搜索的思路，等等。总而言之，暂时没有条件实现一个全面而又有特色的搜索，所以不如不做（也欢迎大家在评论区集思广益）。

后来，经过和同事讨论，想出了一个“借花献佛”的思路——写一个Chrome的重定向扩展，可以从任意页面重定向到Cool Papers。这样我们可以用任意方式（如Google搜索或者直接Arxiv官方搜索）找到Arxiv上的论文，然后右击一下就转到Cool Papers了。前两周这个扩展已经在Chrome应用商店上线，上周服务器配合做了一些调整，如今大家可以尝试使用了。

扩展地址：Cool Papers Redirector

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在矩阵压缩这个问题上，我们通常有两个策略可以选择，分别是低秩化和稀疏化。低秩化通过寻找矩阵的低秩近似来减少矩阵尺寸，而稀疏化则是通过减少矩阵中的非零元素来降低矩阵的复杂性。如果说SVD是奔着矩阵的低秩近似去的，那么相应地寻找矩阵稀疏近似的算法又是什么呢？

接下来我们要学习的是论文《Monarch: Expressive Structured Matrices for Efficient and Accurate Training》，它为上述问题给出了一个答案——“Monarch矩阵”，这是一簇能够分解为若干置换矩阵与稀疏矩阵乘积的矩阵，同时具备计算高效且表达能力强的特点，论文还讨论了如何求一般矩阵的Monarch近似，以及利用Monarch矩阵参数化LLM来提高LLM速度等内容。

Monarch矩阵形式M=PLPR

值得指出的是，该论文的作者也正是著名的Flash Attention的作者Tri Dao，其工作几乎都在致力于改进LLM的性能，这篇Monarch也是他主页上特意展示的几篇论文之一，单从这一点看就非常值得学习一番。

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上一篇文章中我们介绍了“伪逆”，它关系到给定矩阵$\boldsymbol{M}$和$\boldsymbol{A}$（或$\boldsymbol{B}$）时优化目标$\Vert \boldsymbol{A}\boldsymbol{B} - \boldsymbol{M}\Vert_F^2$的最优解。这篇文章我们来关注$\boldsymbol{A},\boldsymbol{B}$都不给出时的最优解，即
$$\begin{equation}\mathop{\text{argmin}}_{\boldsymbol{A},\boldsymbol{B}}\Vert \boldsymbol{A}\boldsymbol{B} - \boldsymbol{M}\Vert_F^2\label{eq:loss-ab}\end{equation}$$
其中$\boldsymbol{A}\in\mathbb{R}^{n\times r}, \boldsymbol{B}\in\mathbb{R}^{r\times m}, \boldsymbol{M}\in\mathbb{R}^{n\times m},r < \min(n,m)$。说白了，这就是要寻找矩阵$\boldsymbol{M}$的“最优$r$秩近似（秩不超过$r$的最优近似）”。而要解决这个问题，就需要请出大名鼎鼎的“SVD（奇异值分解）”了。虽然本系列把伪逆作为开篇，但它的“名声”远不如SVD，听过甚至用过SVD但没听说过伪逆的应该大有人在，包括笔者也是先了解SVD后才看到伪逆。

接下来，我们将围绕着矩阵的最优低秩近似来展开介绍SVD。

结论初探

对于任意矩阵$\boldsymbol{M}\in\mathbb{R}^{n\times m}$，都可以找到如下形式的奇异值分解（SVD，Singular Value Decomposition）：
$$\begin{equation}\boldsymbol{M} = \boldsymbol{U}\boldsymbol{\Sigma} \boldsymbol{V}^{\top}\end{equation}$$

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燃气灶智能化主要有两个方向：一是检测开关火状态，实现跟抽油烟机等其他设备的联动；二是实现智能关火，这包括定时关火以及接入米家（或者其他智能家居）实现语音关火、远程关火等。目前带有这两点功能的燃气灶选择并不多，并且相比普通燃气灶贵不少，单纯为了这两点功能而换一个新燃气灶并不划算，所以就出现了一些将普通燃气灶智能化的的魔改方案。

接入方案示意图

本文主要分享基于燃气灶自带的熄火保护装置，利用通断器将燃气灶接入米家，实现智能关火功能。

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这几天在重温去年的Meta的一篇论文《A Theory on Adam Instability in Large-Scale Machine Learning》，里边给出了看待Adam等自适应学习率优化器的新视角：它指出梯度平方的滑动平均某种程度上近似于在估计Hessian矩阵的平方，从而Adam、RMSprop等优化器实际上近似于二阶的Newton法。

这个角度颇为新颖，而且表面上跟以往的一些Hessian近似有明显的差异，因此值得我们去学习和思考一番。

牛顿下降

设损失函数为$\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta})$，其中待优化参数为$\boldsymbol{\theta}$，我们的优化目标是
$$\begin{equation}\boldsymbol{\theta}^* = \mathop{\text{argmin}}_{\boldsymbol{\theta}} \mathcal{L}(\boldsymbol{\theta})\label{eq:loss}\end{equation}$$
假设$\boldsymbol{\theta}$的当前值是$\boldsymbol{\theta}_t$，Newton法通过将损失函数展开到二阶来寻求$\boldsymbol{\theta}_{t+1}$：
$$\begin{equation}\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta})\approx \mathcal{L}(\boldsymbol{\theta}_t) + \boldsymbol{g}_t^{\top}(\boldsymbol{\theta} - \boldsymbol{\theta}_t) + \frac{1}{2}(\boldsymbol{\theta} - \boldsymbol{\theta}_t)^{\top}\boldsymbol{\mathcal{H}}_t(\boldsymbol{\theta} - \boldsymbol{\theta}_t)\end{equation}$$

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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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在生活上，我是一个比较传统的人，因此每到节日我都会尽量回家跟家人团聚。也许会让大家比较吃惊的是，今年的国庆是我第一个不在家的国庆。的确，从小学到高中，上学的地方离家都比较近，每周回去一次都是不成问题的。现在来到了广州，就不能太随心了。虽然跟很多同学相比，我离家还是比较近的，但是来回也要考虑车费、时间等等。国庆假期时间虽然很长，但是中秋已经回去一趟了，所以我决定国庆就不再回去了。

对我来说，中秋跟国庆相比，中秋的意义更大些。所以我选择了国庆不回家。对家人而言，看到自己平安就好，因此哪一天回去他们都会很高兴，当然，对于农村人来说，中秋的味道更浓，更希望团聚。

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