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问题表示 有很多概率问题，尤其是独立重复实验问题，如果用生成函数的方法来做，会显得特别方便。本文要讲的“随机游走”问题便是其中一例，它又被形象地叫做“醉汉问题”，其本质上是一个二项分布，但是由于取了极限，出现了很多新的性质和应用。我们先考虑如下问题： 考虑实数轴上的一个粒子，在 t=0 时刻它位于原点，每过一秒，它要不向前移动一格（+1），要不就向后移动一格（1），问 n 秒后它所处位置的概率分布。 不难发现，这个问题跟二项分布是雷同的。如果把这个粒子形象比喻成一个“喝醉酒的人”，那么上面的走法就类似于一个完全不省人事的醉汉走路问题了。（当然，醉汉是在三维空间走路的，这里简单起见，只描述了一维...

引言与背景 蒙特卡洛方法是强化学习中的重要算法类别，它标志着从基于模型到无模型算法的转变。这类算法不依赖环境模型，而是通过与环境的直接交互获取经验数据来学习最优策略。 蒙特卡洛方法在强化学习算法谱系中处于"无模型"方法的起始位置，是从基于模型的方法（如值迭代和策略迭代）向无模型方法过渡的第一步。 无模型强化学习的核心理念可以简述为：如果没有模型，我们必须有数据；如果没有数据，我们必须有模型；如果两者都没有，我们就无法找到最优策略。在强化学习中，"数据"通常指智能体与环境交互的经验。 均值估计问题 在介绍蒙特卡洛强化学习算法之前，我们首先需要理解均值估计问题，这是理解从数据而非模型中学习的基础。 考虑一个可以取有限实数集合 X 中值的随机变量 X ，我们的任务是计算 X 的均值或期望值： E[...

摘掉Softmax 制约Attention性能的关键因素，其实是定义里边的Softmax！事实上，简单地推导一下就可以得到这个结论。 [Math] 这一步我们得到一个 [Math] 的矩阵，就是这一步决定了Attention的复杂度是 [Math] ；如果没有Softmax，那么就是三个矩阵连乘 [Math] ，而矩阵乘法是满足结合率的，所以我们可以先算 [Math] ，得到一个 [Math] 的矩阵，然后再用 [Math] 左乘它，由于 [Math] ，所以这样算大致的复杂度只是 [Math] （就是 [Math] 左乘那一步占主导）。 也就是说，去掉Softmax的Attention的复杂度可以降到最理想的线性级别 [Math] ！这显然就是我们的终极追求：Linear Attentio...

概述 本文介绍一个比较有意思的高效Transformer工作——来自Google的《Transformer Quality in Linear Time》，经过细读之后，笔者认为论文里边真算得上是“惊喜满满”了～ 什么样的结果值得我们用“惊喜”来形容？有没有言过其实？我们不妨先来看看论文做到了什么： 1. 提出了一种新的Transformer变体，它依然具有二次的复杂度，但是相比标准的Transformer，它有着更快的速度、更低的显存占用以及更好的效果； 1. 提出一种新的线性化Transformer方案，它不但提升了原有线性Attention的效果，还保持了做Decoder的可能性，并且做Decoder时还能保持高效的训练并行性。 说实话，笔者觉得做到以上任意一点都是非常难得的，而这篇论...

概述 SSM的概念由来已久，但这里我们特指深度学习中的SSM，一般认为其开篇之作是2021年的 S4，不算太老，而SSM最新最火的变体大概是Mamba。当然，当我们谈到SSM时，也可能泛指一切线性RNN模型，这样RWKV、RetNet还有此前LRU都可以归入此类。不少SSM变体致力于成为Transformer的竞争者，尽管笔者并不认为有完全替代的可能性，但SSM本身优雅的数学性质也值得学习一番。 尽管我们说SSM起源于S4，但在S4之前，SSM有一篇非常强大的奠基之作《HiPPO: Recurrent Memory with Optimal Polynomial Projections》（简称HiPPO），所以本文从HiPPO开始说起。 另外值得一提的是，SSM代表作HiPPO、S4、Mam...

问题定义 多元二次多项式，维度为 n ，那么可以用以下公式描述该函数： [Formula] 其中 a_{i,j} 为二次项系数，共有 n^2 项， 1≤i,j≤n ，且所有的 a 不全为0，即 ∃a_{i,j}≠0 ; b_k 为一次项系数，共 n 项， 1≤k≤n ; c 为常数项。 记 f(x)=[x_1,x_2,...,x_n]^T ，则上述函数可以写作二次型的形式： 转化过程中A,b满足： A 为n阶对称方阵， A_{i,j}=a_{i,j} 因为 ∃a_{i,j}≠0 ，A不为零矩阵 b_i=b_i 为了后续计算简便，我们将二次型稍作改动： [Formula] 我们的目标就是寻找该函...

基本概念 方向导数：是一个数；反映的是 f(x,y) 在 P_0 点沿方向 v 的变化率。 偏导数：是多个数（每元有一个）；是指多元函数沿坐标轴方向的方向导数，因此二元函数就有两个偏导数。 偏导函数：是一个函数；是一个关于点的偏导数的函数。 梯度：是一个向量；每个元素为函数对一元变量的偏导数；它既有大小（其大小为最大方向导数），也有方向。 方向导数 反映的是 f(x,y) 在 P_0 点沿方向 v 的变化率。 例子如下： 题目 设二元函数 f(x, y) = x^2 + y^2 ，分别计算此函数在点 (1, 2) 沿方向 w=\{3, 4\} 与方向 u=\{1, 0\} 的方向导数。 解： ...

引言与背景 价值函数方法是强化学习中的核心技术，它解决了传统表格方法在处理大型状态或动作空间时的效率问题。本文探讨了从表格表示向函数表示的转变，这是强化学习算法发展的重要里程碑。 在强化学习的发展路径中，价值函数方法位于从基于模型到无模型、从表格表示到函数表示的演进过程中。它结合了时序差分学习的思想，并通过函数近似技术来处理复杂环境。 价值表示：从表格到函数 表格与函数表示的对比 传统的表格方法将状态值存储在一个表格中： 而函数近似方法则使用参数化函数来表示这些值，例如： [公式] 其中 [Math] 称作是状态 s 的特征向量， w 是参数向量。 两种不同的表现形式的区别主要体现在以下几个方面： 值的检索方式 值的更新方式 函数复杂度与近似能力 函数的复杂度决定了其近似的能力： 一阶线性函...

概述 众所周知，尽管基于Attention机制的Transformer类模型有着良好的并行性能，但它的空间和时间复杂度都是 [Math] 级别的， n 是序列长度，所以当 n 比较大时Transformer模型的计算量难以承受。近来，也有不少工作致力于降低Transformer模型的计算量，比如模型剪枝、量化、蒸馏等精简技术，又或者修改Attention结构，使得其复杂度能降低到 [Math] 甚至 [Math] 。 改变这一复杂度的思路主要有两种： 一是走稀疏化的思路，比如OpenAI的Sparse Attention，通过“只保留小区域内的数值、强制让大部分注意力为零”的方式，来减少Attention的计算量。经过特殊设计之后，Attention矩阵的大部分元素都是0，因此理论上它也能节...

调和级数记住下面的公式就够了： [Formula] 证明方法就是下面这张图

一、泊松分布 日常生活中，大量事件是有固定频率的。 某医院平均每小时出生3个婴儿 某公司平均每10分钟接到1个电话 某超市平均每天销售4包xx牌奶粉 某网站平均每分钟有2次访问 它们的特点就是，我们可以预估这些事件的总数，但是没法知道具体的发生时间。已知平均每小时出生3个婴儿，请问下一个小时，会出生几个？ 有可能一下子出生6个，也有可能一个都不出生。这是我们没法知道的。 泊松分布就是描述某段时间内，事件具体的发生概率。 [Formula] 上面就是泊松分布的公式。等号的左边， P 表示概率， N 表示某种函数关系， t 表示时间， n 表示数量，1小时内出生3个婴儿的概率，就表示为 P(N(1...

引言 时序差分（TemporalDifference，TD）方法是强化学习中的一类核心算法，它结合了动态规划与蒙特卡洛方法的优点。TD方法是无模型（modelfree）学习方法，不需要环境模型即可学习价值函数和最优策略。 TD方法的核心特点是通过比较不同时间步骤的估计值之间的差异来更新价值函数，这种差异被称为"时序差分误差"（TD error）。TD方法可以被视为解决贝尔曼方程或贝尔曼最优方程的特殊随机逼近算法。 基础TD算法：状态值函数学习 给定策略 [Math] ，基础TD算法用于估计状态值函数 [Math] 。假设我们有一些按照策略 [Math] 生成的经验样本 (s_0, r_1, s_1, ..., s_t, r_{t+1}, s_{t+1}, ...) ，TD算法的更新规则为： ...