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概述 HiPPO（High-order Polynomial Projection Operators）是目前大热的structured state space model (S4)及其后续工作的backbone. State space mode主要是控制学科里的内容，最近被引入深度学习领域来解决长距离依赖问题。长距离依赖建模的核心问题是如何通过有限的memory来尽可能记住之前所有的历史信息。当前的主流序列建模模型（即Transformer和RNN) 存在着普遍的遗忘问题 fixed-size context windows: Transformer的window size通常是有限的，一般来说quadratic的attention最多建模到大约10k的token就到计算极限了 vanishing gradient: RNN通过hidden state来存储历史信息，理论上能记住之前所有内容，但实际上的effective memory大概是<1k个token的level，可能的原因是gradient vanishing HiPPO 通过数学方法分析来得到closed-form...

Tokenizer 背景与基础 目前的机器学习模型都是数学模型，其对应的输入要求必须是数字形式（number）的，而我们处理的真实场景往往会包含许多非数字形式的输入（有时候即使原始输入是数字形式，我们也需要转换），最典型的就是 NLP 中的文字(string)，为了让文字能够作为输入参与到模型的计算中去，我们就需要构建一个映射关系(mapping)：将对应的文字映射到一个数字形式上去，而其对应的数字就是 token。而对应的这个映射关系，就是我们的 tokenizer：他可以将文字映射到其对应的数字上去(encode)，也可以将数字映射回对应的文字上(decode)。 诸如GPT-3/4以及LlaMA/LlaMA2大语言模型都采用了token的作为模型的输入输出，其输入是文本，然后将文本转为token（正整数），然后从一串token（对应于文本）预测下一个token。 进入OpenAI官网提供的tokenizer可以看到GPT-3tokenizer采用的方法。这里以Hello World为例说明。...

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。 \[P(N(t)=n)=\frac{(\lambda t)^n e^{-\lambda t}}{n!}\] 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 \(P(N(1) = 3)\) 。等号的右边，参数λ是单位时间（或单位面积）内随机事件的平均发生率。 接下来两个小时，一个婴儿都不出生的概率是0.25%，基本不可能发生。 \[P(N(2) = 0) = \frac{(3 \times 2)^0 e^{-3 \times 2}}{0!}...

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： 由于 \(w\) 不是单位向量，因此首先应对其进行单位化： \[v = w^0 = \frac{w}{|w|} = \left\{ \frac{3}{5}, -\frac{4}{5} \right\}\] 计算函数增量： \[\begin{aligned} \therefore f(x_0 + tv_1,...

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，只描述了一维的。）这是一个独立重复实验，每秒的行走可用函数描述为 \(\frac{1}{2}(z+z^{-1})\) ，于是 \(n\) 秒后的运动分布情况可以用 \[\frac{1}{2^n}(z+z^{-1})^n\] 来描述， \(z^i(i=-n,-n+1,\dots,n-1,n)\) 的系数表示粒子位于 \(i\) 的概率。 💡...

集成学习主要分为以下几类：Bagging，Boosting以及Stacking。 传统机器学习算法 (例如：决策树，人工神经网络，支持向量机，朴素贝叶斯等) 的目标都是寻找一个最优分类器尽可能的将训练数据分开。集成学习 (Ensemble Learning) 算法的基本思想就是将多个分类器组合，从而实现一个预测效果更好的集成分类器。集成算法可以说从一方面验证了中国的一句老话：三个臭皮匠，赛过诸葛亮。 Thomas G. Dietterich 指出了集成算法在统计，计算和表示上的有效原因： 统计上的原因 一个学习算法可以理解为在一个假设空间 H 中选找到一个最好的假设。但是，当训练样本的数据量小到不够用来精确的学习到目标假设时，学习算法可以找到很多满足训练样本的分类器。所以，学习算法选择任何一个分类器都会面临一定错误分类的风险，因此将多个假设集成起来可以降低选择错误分类器的风险。 计算上的原因 很多学习算法在进行最优化搜索时很有可能陷入局部最优的错误中，因此对于学习算法而言很难得到一个全局最优的假设。事实上人工神经网络和决策树已经被证实为是一 个NP...

从GBDT到XGBoost 作为GBDT的高效实现，XGBoost是一个上限特别高的算法，因此在算法竞赛中比较受欢迎。简单来说，对比原算法GBDT，XGBoost主要从下面三个方面做了优化： 一是算法本身的优化：在算法的弱学习器模型选择上，对比GBDT只支持决策树，还可以选择很多其他的弱学习器。在算法的损失函数上，除了本身的损失，还加上了正则化部分。在算法的优化方式上，GBDT的损失函数只对误差部分做负梯度（一阶泰勒）展开，而XGBoost损失函数对误差部分做二阶泰勒展开，更加准确。算法本身的优化是我们后面讨论的重点。 二是算法运行效率的优化：对每个弱学习器，比如决策树建立的过程做并行选择，找到合适的子树分裂特征和特征值。在并行选择之前，先对所有的特征的值进行排序分组，方便前面说的并行选择。对分组的特征，选择合适的分组大小，使用CPU缓存进行读取加速。将各个分组保存到多个硬盘以提高IO速度。 三是算法健壮性的优化：对于缺失值的特征，通过枚举所有缺失值在当前节点是进入左子树还是右子树来决定缺失值的处理方式。算法本身加入了L1和L2正则化项，可以防止过拟合，泛化能力更强。...

GBDT (Gradient Boosting Decision Tree) 是另一种基于 Boosting 思想的集成算法，除此之外 GBDT 还有很多其他的叫法，例如：GBM (Gradient Boosting Machine)，GBRT (Gradient Boosting Regression Tree)，MART (Multiple Additive Regression Tree) 等等。GBDT 算法由 3 个主要概念构成：Gradient Boosting (GB)，Regression Decision Tree (DT 或 RT) 和 Shrinkage。 Decision Tree：CART回归树 首先，GBDT使用的决策树是CART回归树，无论是处理回归问题还是二分类以及多分类，GBDT使用的决策树通通都是都是CART回归树。为什么不用CART分类树呢？因为GBDT每次迭代要拟合的是 梯度值...

分类问题 Adaboost 是 Boosting 算法中有代表性的一个。原始的 Adaboost 算法用于解决二分类问题，因此对于一个训练集 \[T = \{\left(x_1, y_1\right), \left(x_2, y_2\right), ..., \left(x_n, y_n\right)\}\] 其中 \(x_i \in \mathcal{X} \subseteq \mathbb{R}^n, y_i \in \mathcal{Y} = \{-1, +1\}\) ，，首先初始化训练集的权重 \[\begin{aligned} D_1 =& \left(w_{11}, w_{12}, ..., w_{1n}\right) \\ w_{1i} =& \dfrac{1}{n}, i = 1, 2, ..., n \end{aligned}\] 根据每一轮训练集的权重 \(D_m\) ，对训练集数据进行抽样得到 \(T_m\) ，再根据 \(T_m\) 训练得到每一轮的基学习器 \(h_m\) 。通过计算可以得出基学习器 \(h_m\) 的误差为 \(e_m\) \[e_m =...

引言与背景 随机逼近（Stochastic Approximation）是一类用于求解寻根或优化问题的随机迭代算法，其特点是不需要知道目标函数或其导数的表达式。 随机逼近的核心优势在于： 能够处理带有随机噪声的观测数据 不需要目标函数的解析表达式 可以在线学习，每获得一个新样本就更新估计值 均值估计问题 考虑一个随机变量 \(X\) ，其取值来自有限集合 \(\mathcal{X}\) 。我们的目标是估计 \(E[X]\) 。假设我们有一个独立同分布的样本序列 \(\{x_i\}_{i=1}^n\) ，那么 \(X\) 的期望值可以近似为： \[E[X] \approx \bar{x} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i\] 非增量方法与增量方法 非增量方法 ：先收集所有样本，然后计算平均值。缺点是如果样本数量很大，可能需要等待很长时间。 增量方法 ：定义 \[w_{k+1} = \frac{1}{k}\sum_{i=1}^k x_i, k = 1, 2, ...\] 可以推导出递归公式： \[{w}_{k + 1} =...

进程 一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。 线程 进程中的一个执行任务（控制单元），负责当前进程中程序的执行。一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。 与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。 Java 程序天生就是多线程程序，我们可以通过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程，代码如下。 [代码] 上述程序输出如下（输出内容可能不同，不用太纠结下面每个线...

分布式深度学习里的通信严重依赖于规则的集群通信，诸如 allreduce, reducescatter, allgather 等，因此，实现高度优化的集群通信，以及根据任务特点和通信拓扑选择合适的集群通信算法至关重要。 本文以数据并行经常使用的 allreduce 为例来展示集群通信操作的数学性质。 Allreduce 在干什么？ 如图 1 所示，一共 4个设备，每个设备上有一个矩阵（为简单起见，我们特意让每一行就一个元素），allreduce 操作的目的是，让每个设备上的矩阵里的每一个位置的数值都是所有设备上对应位置的数值之和。 如图 2 所示， allreduce 可以通过 reducescatter 和 allgather 这两个更基本的集群通信操作来实现。基于 ring 状通信可以高...