科学空间|Scientific Spaces

在机器学习中，我们经常会谈到稀疏性，比如我们经常说注意力矩阵通常是很稀疏的。然而，不知道大家发现没有，我们似乎从没有给出过度量稀疏程度的标准方法。也就是说，以往我们关于稀疏性的讨论，仅仅是直观层面的感觉，并没有过定量分析。那么问题来了，稀疏性的度量有标准方法了吗？

经过搜索，笔者发现确实是有一些可用的指标，比如$l_1/l_2$、熵等，但由于关注视角的不同，在稀疏性度量方面并没有标准答案。本文简单记录一下笔者的结果。

基本结果

狭义上来讲，“稀疏”就是指数据中有大量的零，所以最简单的稀疏性指标就是统计零的比例。但如果仅仅是这样的话，注意力矩阵就谈不上稀疏了，因为softmax出来的结果一定是正数。所以，有必要推广稀疏的概念。一个朴素的想法是统计绝对值不超过$\epsilon$的元素比例，但这个$\epsilon$怎么确定呢？

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说到Transformer无法处理超长序列的原因，大家的第一反应通常都是Self Attention的二次复杂度。但事实上，即便忽略算力限制，常规的Transformer也无法处理超长序列，因为它们的长度外推性（Length Extrapolation）并不好，具体表现为当输入序列明显超过训练长度时，模型的效果通常会严重下降。

尽管已有一些相关工作，但长度外推问题离实际解决还比较远。本文介绍笔者构思的一种参考方案，它可能是目前唯一一种可以用在生成模型上、具备全局依赖能力的长度外推方法。

方法回顾

长度外推，也称为长度泛化（Length Generalization），此前我们在《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》、《Transformer升级之路：8、长度外推性与位置鲁棒性》已经介绍过部分工作。然而，它们各有各的问题。

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尺度定律（Scaling Law），指的是模型能力与模型尺度之间的渐近关系。具体来说，模型能力我们可以简单理解为模型的损失函数，模型尺度可以指模型参数量、训练数据量、训练步数等，所谓尺度定律，就是研究损失函数跟参数量、数据量、训练步数等变量的大致关系。《Scaling Laws for Neural Language Models》、《Training Compute-Optimal Large Language Models》等工作的实验结果表明，神经网络的尺度定律多数呈现“幂律（Power law）”的形式。

为什么会是幂律呢？能否从理论上解释呢？论文《The Quantization Model of Neural Scaling》基于“量子化”假设给出了一个颇为有趣的推导。本文一同来欣赏一下。

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大体上，我们可以将目前Transformer的长度外推技术分为两类：一类是事后修改，比如NTK-RoPE、YaRN、ReRoPE等，这类方法的特点是直接修改推理模型，无需微调就能达到一定的长度外推效果，但缺点是它们都无法保持模型在训练长度内的恒等性；另一类自然是事前修改，如ALIBI、KERPLE、XPOS以及HWFA等，它们可以不加改动地实现一定的长度外推，但相应的改动需要在训练之前就引入，因此无法不微调地用于现成模型，并且这类方法是否能够Scale Up还没得到广泛认可。

在这篇文章中，笔者将介绍一种意外发现的长度外推方案——“KeyNorm”——对Attention的Key序列做L2 Normalization，很明显它属于事前修改一类，但对Attention机制的修改非常小，因此看上去非常有希望能够Scale Up。

最初动机

之所以说“意外发现”，是因为该改动的原始动机并不是长度外推，而是尝试替换Scaled Dot-Product Attention中的Scale方式。我们知道，Attention的标准定义是（本文主要考虑Causal场景）
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \frac{\sum_{j = 1}^i\exp\left(\frac{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}{\sqrt{d}}\right)\boldsymbol{v}_j}{\sum_{j = 1}^i\exp\left(\frac{\boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}{\sqrt{d}}\right)},\quad \boldsymbol{q}_i,\boldsymbol{k}_j\in\mathbb{R}^d\label{eq:sdpa}\end{equation}

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我们知道，Scaled Dot-Product Attention的Scale因子是$\frac{1}{\sqrt{d}}$，其中$d$是$\boldsymbol{q},\boldsymbol{k}$的维度。这个Scale因子的一般解释是：如果不除以$\sqrt{d}$，那么初始的Attention就会很接近one hot分布，这会造成梯度消失，导致模型训练不起来。然而，可以证明的是，当Scale等于0时同样也会有梯度消失问题，这也就是说Scale太大太小都不行。

那么多大的Scale才适合呢？$\frac{1}{\sqrt{d}}$是最佳的Scale了吗？本文试图从梯度角度来回答这个问题。

已有结果

在《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》中，我们已经推导过标准的Scale因子$\frac{1}{\sqrt{d}}$，推导的思路很简单，假设初始阶段$\boldsymbol{q},\boldsymbol{k}\in\mathbb{R}^d$都采样自“均值为0、方差为1”的分布，那么可以算得
\begin{equation}\mathbb{V}ar[\boldsymbol{q}\cdot\boldsymbol{k}] = d\end{equation}

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在分析模型的参数时，有些情况下我们会将模型的所有参数当成一个整体的向量，有些情况下我们则会将不同的参数拆开来看。比如，一个7B大小的LLAMA模型所拥有的70亿参数量，有时候我们会将它当成“一个70亿维的向量”，有时候我们会按照模型的实现方式将它看成“数百个不同维度的向量”，最极端的情况下，我们也会将它看成是“七十亿个1维向量”。既然有不同的看待方式，那么当我们要算一些统计指标时，也就会有不同的计算方式，即局部计算和全局计算，这引出了局部计算的指标与全局计算的指标有何关联的问题。

本文我们关心两个向量的余弦相似度。如果两个大向量的维度被拆成了若干组，同一组对应的子向量余弦相似度都很大，那么两个大向量的余弦相似度是否一定就大呢？答案是否定的。特别地，这还跟著名的“辛普森悖论”有关。

问题背景

这个问题源于笔者对优化器的参数增量导致的损失函数变化量的分析。具体来说，假设优化器的更新规则是：
\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{t+1} = \boldsymbol{\theta}_t - \eta_t \boldsymbol{u}_t\end{equation}

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近年来，RNN由于其线性的训练和推理效率，重新吸引了不少研究人员和用户的兴趣，隐约有“文艺复兴”之势，其代表作有RWKV、RetNet、Mamba等。当将RNN用于语言模型时，其典型特点就是每步生成都是常数的空间复杂度和时间复杂度，从整个序列看来就是常数的空间复杂度和线性的时间复杂度。当然，任何事情都有两面性，相比于Attention动态增长的KV Cache，RNN的常数空间复杂度通常也让人怀疑记忆容量有限，在Long Context上的效果很难比得上Attention。

在这篇文章中，我们表明Causal Attention可以重写成RNN的形式，并且它的每一步生成理论上也能够以$\mathcal{O}(1)$的空间复杂度进行（代价是时间复杂度非常高，远超平方级）。这表明Attention的优势（如果有的话）是靠计算堆出来的，而不是直觉上的堆内存，它跟RNN一样本质上都是常数量级的记忆容量（记忆瓶颈）。

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之前承诺过会把毕业论文共享出来，让大家批评指正，却一直偷懒没动。事实上，毕业论文的主要内容就是路径积分的一些入门级别的内容，标题为《随机游走、随机微分方程与偏微分方程的路径积分方法》。我的摘要是这样写的：

本文从随机游走模型出发，得到了关于随机游走模型的一般结果；然后基于随机游走模型引入了路径积分，并且通过路径积分方法，实现了随机游走、随机微分方程与抛物型微分方程的相互转化，并给出了一些计算案例.

路径积分方法是量子理论的一种形式，但实际上它可以抽象为一个有用的数学工具，本文的主要方法正是抽象后的路径积分；其次，量子力学中有一个相当典型的抛物型偏微分方程——薛定谔方程，物理学家已经对它进行了大量的研究，有众多的成果；而随机微分方程是一个微分方程的拓展，在物理、工程、金融等很多方面都有重要应用，这个领域中也有很多研究方法；最后，随机游走是一个简单而重要的模型，它是很多扩散模型的基础，而且具有容易使用计算机模拟的特性. 因此，实现三者的转化是很有意义的.

本文有一些新的内容，比如现有文献比较少研究的不对称随机游走方面、以及现有文献比较含糊的对路径积分的介绍等，可以供同好参考，希望借此方式，能够让一些读者以更简洁明了的方式理解路径积分. 但是本文主要是陈述性的，旨在在国内推广路径积分方法. 在国外，路径积分方法得到了相当的重视，它源于量子力学，但应用已经不仅仅限于量子力学，如著作[1]，因此，推广路径积分方法、增加路径积分的中文资料，是很有意义和很有必要的事情.

本文所有推导和例子均以一维为例，相应的多维问题可以类似地计算。

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