科学空间|Scientific Spaces

这篇文章我们来讨论一个比较实用的线性代数问题：

给定两个$d$维单位（列）向量$\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}$，求一个正交矩阵$\boldsymbol{T}$，使得$\boldsymbol{b}=\boldsymbol{T}\boldsymbol{a}$。

由于两个向量模长相同，所以很显然这样的正交矩阵必然存在，那么，我们怎么把它找出来呢？

二维

不难想象，这本质上就是$\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}$构成的二维子平面下的向量变换（比如旋转或者镜面反射）问题，所以我们先考虑$d=2$的情形。

正交分解示意图

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在之前的文章《Transformer升级之路：2、博采众长的旋转式位置编码》中我们提出了旋转式位置编码RoPE以及对应的Transformer模型RoFormer。由于笔者主要研究的领域还是NLP，所以本来这个事情对于笔者来说已经完了。但是最近一段时间，Transformer模型在视觉领域也大火，各种Vision Transformer（ViT）层出不穷，于是就有了问题：二维情形的RoPE应该是怎样的呢？

咋看上去，这个似乎应该只是一维情形的简单推广，但其中涉及到的推导和理解却远比我们想象中复杂，本文就对此做一个分析，从而深化我们对RoPE的理解。

二维RoPE

什么是二维位置？对应的二维RoPE又是怎样的？它的难度在哪里？在这一节中，我们先简单介绍二维位置，然后直接给出二维RoPE的结果和推导思路，在随后的几节中，我们再详细给出推导过程。

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标准Attention的$\mathcal{O}(n^2)$复杂度可真是让研究人员头大。前段时间我们在博文《Performer：用随机投影将Attention的复杂度线性化》中介绍了Google的Performer模型，它通过随机投影的方式将标准Attention转化为线性Attention。无独有偶，前些天Arxiv上放出了AAAI 2021的一篇论文《Nyströmformer: A Nyström-Based Algorithm for Approximating Self-Attention》，里边又提出了一种从另一个角度把标准Attention线性化的方案。

Nyströmformer结构示意图

该方案写的是Nyström-Based，顾名思义是利用了Nyström方法来近似标准Attention的。但是坦白说，在看到这篇论文之前，笔者也完全没听说过Nyström方法，而纵观整篇论文，里边也全是笔者一眼看上去感觉很茫然的矩阵分解推导，理解起来颇为困难。不过有趣的是，尽管作者的推导很复杂，但笔者发现最终的结果可以通过一个相对来说更简明的方式来理解，遂将笔者对Nyströmformer的理解整理在此，供大家参考。

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去年笔者写过博文《如何应对Seq2Seq中的“根本停不下来”问题？》，里边介绍了一篇论文中对Seq2Seq解码不停止现象的处理，并指出那篇论文只是提了一些应对该问题的策略，并没有提供原理上的理解。近日，笔者在Arixv读到了AAAI 2021的一篇名为《A Theoretical Analysis of the Repetition Problem in Text Generation》的论文，里边从理论上分析了Seq2Seq重复解码现象。从本质上来看，重复解码和解码不停止其实都是同理的，所以这篇新论文算是填补了前面那篇论文的空白。

经过学习，笔者发现该论文确实有不少可圈可点之处，值得一读。笔者对原论文中的分析过程做了一些精简、修正和推广，将结果记录成此文，供大家参考。此外，抛开问题背景不讲，读者也可以将本文当成一节矩阵分析习题课，供大家复习线性代数哈～

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从《恒等式 det(exp(A)) = exp(Tr(A)) 赏析》一文我们得到矩阵$\exp(\boldsymbol{A})$总是可逆的，它的逆就是$\exp(-\boldsymbol{A})$。问题是$\exp(\boldsymbol{A})$只是一个理论定义，单纯这样写没有什么价值，因为它要把每个$\boldsymbol{A}^n$都算出来。

有没有什么具体的例子呢？有，本文来构造一个显式的、总是可逆的矩阵。

其实思路非常简单，假设$\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}$是两个$k$维列向量，那么$\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}$就是一个$k\times k$的矩阵，我们就来考虑
\begin{equation}\begin{aligned}\exp\left(\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\right)=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\right)^n}{n!}\\
=&\boldsymbol{I}+\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}+\frac{\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}}{2}+\frac{\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}}{6}+\dots\end{aligned}\end{equation}

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本文的主题是一个有趣的矩阵行列式的恒等式
\begin{equation}\det(\exp(\boldsymbol{A})) = \exp(\text{Tr}(\boldsymbol{A}))\label{eq:main}\end{equation}
这个恒等式在挺多数学和物理的计算中都出现过，笔者都在不同的文献中看到过好几次了。

注意左端是矩阵的指数，然后求行列式，这两步都是计算量非常大的运算；右端仅仅是矩阵的迹（一个标量），然后再做标量的指数。两边的计算量差了不知道多少倍，然而它们居然是相等的！这不得不说是一个神奇的事实。

所以，本文就来好好欣赏一个这个恒等式。

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几年前，笔者曾经以自己对矩阵的粗浅理解写了一个“理解矩阵”系列，其中有一篇《为什么只有方阵有行列式？》讨论了非方阵的行列式问题，里边给出了“非方针的行列式不好看”和“方阵的行列式就够了”的观点。本文来再次思考这个问题。

首先回顾方阵的行列式，其实行列式最重要的价值在于它的几何意义：

n维方阵的行列式的绝对值，等于它的各个行（或列）向量所张成的n维立体的超体积。

这个几何意义是行列式的一切重要性的源头，相关的讨论可以参考《行列式的点滴》，它也是我们讨论非方阵行列式的基础。

分析

对于方阵$\boldsymbol{A}_{n\times n}$来说，可以将它看成$n$个行向量的组合，也可以看成$n$个列向量的组合，不管是哪一种，行列式的绝对值都等于这$n$个向量所张成的$n$维立体的超体积。换句话说，对于方阵来说，行、列向量的区分不改变行列式。

对于非方阵$\boldsymbol{B}_{n \times k}$就不一样了，不失一般性，假设$n > k$。我们可以将它看成$n$个$k$维行向量的组合，也可以看成$k$个$n$维列向量的组合。非方针的行列式，应该也具有同样含义，即它们所张成的立体的超体积。

我们来看第一种情况，如果看成$n$个$k$维行向量，那么就得视为这$n$个向量张成的$n$维体的超体积了，但是要注意$n > k$，因此这$n$个向量必然线性相关，因此它们根本就张不成一个$n$维体，也许是一个$n-1$维体甚至更低，这样一来，它的$n$维体的超体积自然为0。

但是第二种情况就没有那么平凡了。如果看成$k$个$n$维列向量，那么这$k$个向量虽然是$n$维的，但它们张成的是一个$k$维体，这$k$维体的超体积未必为0。我们就以这个非平凡的体积作为非方阵行列式的定义好了。

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今天上近世代数课，老师谈到除环，举了一个非交换的除环的粒子，也就是四元数环，然后谈到“实数域上有限维可除代数只有4种”，也就是实数本身、复数、四元数和八元数（这里的可除代数就是除环）。这句话我听起来有点熟悉，又好像不大对劲。我记得在某本书上看过，定义为实数上的超复数系，如果满足模的积性，那么就只有以上四种。但是老师的那句话表明即使去掉模的积性，也只有四种。我自然以为老师记错了，跟老师辩论了一翻，然后回到宿舍又找资料，最终确定：实数域上有限维可除代数真的只有四种！下面简单谈谈我对这个问题的认识。

当然，这里不可能给出这个命题的证明，因为这个证明相当不简单，笔者目前也没有弄懂，但是粗略感觉一下为什么，还是有可能的。看到这个命题，我们一下子的感觉可能是：怎么会这么少！我们这里通过例子简单说明一下，确实不会多！

我们已经对复数系很熟悉了，也就是定义在实数上的向量空间，基为$\{1,i\}$，并且给定乘法为
$$1\times i=i \times 1=i,\quad 1^2=1,\quad i^2=-1$$

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