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LLM学习笔记(五)概率论

1. 随机变量与概率分布:模型输出的基础

在LLM中,随机变量最直观的体现就是模型预测的下一个token。每个时刻,模型都会输出一个概率分布,表示词汇表中每个token可能是"下一个词"的概率。

直观理解

想象模型在处理句子"我喜欢北京的"后需要预测下一个词。此时,模型会为词汇表中的每个候选token分配一个概率:

  • “天安门”:0.3
  • “故宫”:0.25
  • “美食”:0.2
  • “文化”:0.15
  • 其他词:0.1

这个分布通过softmax函数从模型的logits输出转换而来:

# logits是模型输出的未归一化对数概率
logits = model(input_ids)[:, -1, :]  # 获取最后一个位置的logits
probabilities = torch.softmax(logits, dim=-1)  # 转换为概率分布

深层意义

概率分布不仅让模型能够进行采样生成,还能反映模型的不确定性程度。分布的形状(是否集中、平坦或有多个峰值)揭示了模型对当前预测的信心程度。

2. 条件概率:语言模型的核心

LLM是自回归(autoregressive)模型,即通过计算条件概率 P ( x t ∣ x < t ) P(x_t | x_{<t}) P(xtx<t) 来生成序列。整个序列的联合概率分解为一系列条件概率的乘积:

P ( x 1 , x 2 , … , x T ) = ∏ t = 1 T P ( x t ∣ x < t ) P(x_1, x_2, \dots, x_T) = \prod_{t=1}^T P(x_t | x_{<t}) P(x1,x2,,xT)=t=1TP(xtx<t)

实际运作方式

当模型生成文本时,每一步都依赖于前面已生成的所有内容:

  1. 第一步: P ( x 1 ) P(x_1) P(x1) - 生成第一个token(无条件)
  2. 第二步: P ( x 2 ∣ x 1 ) P(x_2|x_1) P(x2x1) - 基于第一个token生成第二个
  3. 第三步: P ( x 3 ∣ x 1 , x 2 ) P(x_3|x_1,x_2) P(x3x1,x2) - 基于前两个token生成第三个

以此类推,形成条件概率链。

例子说明

假设模型在生成一个句子:

  • 首先生成"我"(假设概率为0.1)
  • 然后基于"我"生成"喜欢"(条件概率为0.3)
  • 接着基于"我喜欢"生成"学习"(条件概率为0.2)

整个序列"我喜欢学习"的联合概率为:0.1 × 0.3 × 0.2 = 0.006

这种条件概率框架使LLM能够捕捉语言的上下文依赖性,这是它们强大能力的关键所在。

3. 最大似然估计:训练的统计基础

LLM训练的核心目标是最大化训练数据的似然概率,等价于最小化负对数似然(即交叉熵损失):

L ( θ ) = − ∑ t log ⁡ P θ ( x t ∣ x < t ) \mathcal{L}(\theta) = -\sum_{t}\log P_\theta(x_t | x_{<t}) L(θ)=tlogPθ(xtx<t)

为什么使用对数?

对数变换有几个重要优势:

  • 将乘法转换为加法,避免小数值相乘导致的数值下溢
  • 使优化过程更加稳定
  • 与信息论中的交叉熵概念直接对应

训练示例

考虑训练过程中的一个小批量文本:“我爱北京天安门”:

def compute_loss(model, tokens):# tokens: [batch_size, sequence_length]logits = model(tokens[:, :-1])  # 预测除最后一个token外的所有位置targets = tokens[:, 1:]  # 目标是下一个token# 计算每个位置的负对数似然loss = F.cross_entropy(logits.view(-1, vocab_size), targets.view(-1),reduction='none')# 返回平均损失return loss.mean()

通过最小化这个损失函数,模型参数θ将被调整以增大训练数据的概率,从而"学习"语言的统计模式。

4. 期望与方差:衡量模型行为

期望值 E [ f ( X ) ] \mathbb{E}[f(X)] E[f(X)] 和方差 Var [ X ] \text{Var}[X] Var[X] 在LLM中有多种应用:

期望的应用

  1. 评估指标计算:计算平均惊讶度(negative log-likelihood)或平均困惑度

    # 计算平均惊讶度
    def average_surprisal(model, text):tokens = tokenize(text)log_probs = model.log_probs(tokens)return -log_probs.mean().item()
    
  2. 信息提取:在多次采样中提取"稳定"信息

    # 通过多次采样获取稳定答案
    responses = [model.generate(prompt) for _ in range(10)]
    

方差的应用

  1. 不确定性量化:高方差表示模型对某些预测的不确定性高

    # 计算预测方差
    logits = model(input_ids)
    probs = F.softmax(logits, dim=-1)
    entropy = -torch.sum(probs * torch.log(probs), dim=-1)  # 高熵≈高方差≈高不确定性
    
  2. 多样性控制:在生成时,可以基于方差调整采样策略

方差和期望共同帮助我们理解模型的统计行为,不仅在评估模型性能时有用,也为生成策略提供了理论指导。

5. 贝叶斯定理:从先验到后验

虽然传统LLM训练不直接使用贝叶斯方法,但贝叶斯思想在多个方面得到应用:

P ( θ ∣ D ) ∝ P ( D ∣ θ ) P ( θ ) P(\theta | D) \propto P(D | \theta)P(\theta) P(θD)P(Dθ)P(θ)

实际应用

  1. 参数正则化:权重衰减可看作对参数的高斯先验

    # L2正则化(权重衰减)
    loss = task_loss + weight_decay * sum(p.pow(2).sum() for p in model.parameters())
    
  2. 小样本学习:少样本(few-shot)提示可视为后验更新

    • 没有示例时,模型使用先验P(θ)
    • 提供few-shot示例后,模型更新为后验P(θ|少量示例)
  3. 推理校准:后验调整可以改善模型预测

    # 简单的后验校准示例
    def calibrate_probabilities(probs, temperature=1.0, label_smoothing=0.0):# 温度缩放scaled_logits = torch.log(probs) / temperaturecalibrated = F.softmax(scaled_logits, dim=-1)# 标签平滑(混合均匀先验)if label_smoothing > 0:uniform = torch.ones_like(calibrated) / calibrated.size(-1)calibrated = (1 - label_smoothing) * calibrated + label_smoothing * uniformreturn calibrated
    

贝叶斯框架为我们提供了整合先验知识和更新置信度的强大工具,这在微调、迁移学习和不确定性建模中特别有价值。

6. 采样方法:平衡确定性与创造性

生成文本时,我们需要从模型的概率分布中采样。不同采样策略影响生成文本的多样性和质量:

温度采样

调整温度T可以控制分布的平滑度:
P T ( x ) ∝ P ( x ) 1 / T P_T(x) \propto P(x)^{1/T} PT(x)P(x)1/T

def temperature_sampling(logits, temperature=1.0):# temperature=0会变成贪婪搜索# temperature<1使分布更尖锐(更确定)# temperature>1使分布更平坦(更多样)scaled_logits = logits / temperatureprobs = F.softmax(scaled_logits, dim=-1)next_token = torch.multinomial(probs, num_samples=1)return next_token
  • 温度接近0:贪婪搜索,总是选最高概率词
  • 温度为1:保持原始分布
  • 温度大于1:增加低概率事件的采样机会

Top-k与Nucleus采样

这些方法通过截断分布尾部来减少低质量样本:

def top_k_sampling(logits, k=50):# 只保留概率最高的k个tokenvalues, indices = torch.topk(logits, k)probs = F.softmax(values, dim=-1)next_token = indices[torch.multinomial(probs, num_samples=1)]return next_tokendef nucleus_sampling(logits, p=0.9):# 保留累积概率达到p的最小token集合sorted_logits, sorted_indices = torch.sort(logits, descending=True)cumulative_probs = torch.cumsum(F.softmax(sorted_logits, dim=-1), dim=-1)# 找到第一个累积概率超过p的位置sorted_indices_to_keep = cumulative_probs <= p# 在某些情况下,我们至少保留一个tokenif torch.sum(sorted_indices_to_keep) == 0:sorted_indices_to_keep[0] = Trueindices_to_keep = sorted_indices[sorted_indices_to_keep]logits_to_keep = logits[indices_to_keep]probs = F.softmax(logits_to_keep, dim=-1)next_token = indices_to_keep[torch.multinomial(probs, num_samples=1)]return next_token

这些采样方法直接影响生成文本的质量,是LLM应用中的关键决策点。温度和采样策略的选择取决于任务要求:

  • 事实性问答:低温度,偏好确定性高的输出
  • 创意写作:较高温度,允许更多样的输出
  • 代码生成:通常使用较低温度但带nucleus采样,平衡正确性和多样性

7. 马尔可夫性:序列依赖的表示

虽然Transformer架构理论上可以考虑任意长的上下文,但实际上,LLM仍然是一种强化版的马尔可夫模型:当前token的生成依赖于固定长度窗口内的历史。

马尔可夫性与上下文窗口

标准马尔可夫模型假设:
P ( x t ∣ x < t ) = P ( x t ∣ x t − k , … , x t − 1 ) P(x_t | x_{<t}) = P(x_t | x_{t-k}, \ldots, x_{t-1}) P(xtx<t)=P(xtxtk,,xt1)

LLM则扩展为:
P ( x t ∣ x < t ) = P ( x t ∣ x m a x ( 1 , t − C ) , … , x t − 1 ) P(x_t | x_{<t}) = P(x_t | x_{max(1,t-C)}, \ldots, x_{t-1}) P(xtx<t)=P(xtxmax(1,tC),,xt1)

其中C是上下文窗口长度(如GPT-3为2048,Claude 3为200k+)。

有限记忆的影响

上下文窗口限制导致的问题包括:

  • 无法引用超出窗口的信息
  • 长文档理解中的一致性挑战
  • 对长文本生成的连贯性约束

这种有限马尔可夫性质启发了许多改进方向,如长上下文模型、外部内存机制、检索增强等。

8. 蒙特卡洛估计:基于采样的评估

蒙特卡洛方法通过多次随机采样来估计统计特性,在LLM中有重要应用:

应用场景

  1. 不确定性估计:通过多次采样估计预测的置信区间

    def estimate_confidence_interval(model, prompt, n_samples=100):# 生成多个回答responses = [model.generate(prompt) for _ in range(n_samples)]# 分析回答的分布(例如,对于是/否问题)yes_count = sum(1 for r in responses if "是" in r[:10])confidence = max(yes_count, n_samples - yes_count) / n_samplesreturn confidence
    
  2. 多样性度量:评估生成结果的多样性

    def measure_diversity(model, prompt, n_samples=10):responses = [model.generate(prompt) for _ in range(n_samples)]# 计算生成文本之间的平均相似度similarities = []for i in range(n_samples):for j in range(i+1, n_samples):sim = compute_similarity(responses[i], responses[j])similarities.append(sim)return sum(similarities) / len(similarities)
    
  3. 集成预测:整合多次预测结果以提高准确性

    def ensemble_prediction(model, prompt, n_samples=10):predictions = [model.generate(prompt) for _ in range(n_samples)]# 可以通过投票、平均或更复杂的方法整合结果return most_common(predictions)
    

蒙特卡洛方法帮助我们更好地理解模型行为的统计特性,特别是在处理高度不确定或多样化输出的场景中。

9. 随机过程与序列建模:统计依赖的捕捉

语言生成可视为一种离散时间随机过程,LLM通过自注意力机制捕捉这一过程中的统计依赖:

自注意力与随机过程

Transformer的自注意力机制计算:
Attention ( Q , K , V ) = softmax ( Q K T d k ) V \text{Attention}(Q, K, V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V Attention(Q,K,V)=softmax(dk QKT)V

这实际上是在估计序列中各位置之间的统计依赖强度。注意力权重可以解释为:位置j对预测位置i的影响程度。

深层统计依赖

LLM通过多层注意力捕捉复杂的统计依赖:

  • 浅层可能关注局部语法模式
  • 深层可能捕捉全局语义依赖
  • 多头注意力则并行捕捉不同类型的依赖关系

这种分层设计使LLM能够学习句法、语义和篇章层面的统计规律,从而生成连贯且有意义的文本。

10. 校准:确保概率预测的可靠性

模型校准衡量预测概率与实际频率的一致性:

校准重要性

假设模型以90%的置信度预测某些事实,如果模型校准良好,这些预测约90%应该是正确的。

def expected_calibration_error(probs, correct):"""计算预期校准误差probs: 预测概率correct: 对应的正确与否标记(0/1)"""# 将概率分成几个binn_bins = 10bins = np.linspace(0, 1, n_bins + 1)bin_indices = np.digitize(probs, bins) - 1ece = 0for bin_idx in range(n_bins):# 找到落在这个bin中的预测mask = bin_indices == bin_idxif not np.any(mask):continuebin_probs = probs[mask]bin_correct = correct[mask]# 计算这个bin中的平均概率和准确率avg_prob = np.mean(bin_probs)avg_acc = np.mean(bin_correct)# 加权绝对误差ece += np.abs(avg_prob - avg_acc) * (np.sum(mask) / len(probs))return ece

校准方法

  1. 温度缩放:通过除以温度参数调整logits
  2. Platt缩放:学习线性变换校准概率
  3. 模型集成:多个模型预测结合可提高校准性

良好的校准对于许多应用至关重要,如医疗诊断、金融预测和自动决策系统,因为它们需要依赖模型不仅给出正确答案,还要准确报告自己的确定性。

11. 似然比与对比评估:模型比较的工具

似然比是比较两个概率模型的强大工具:

P model1 ( x ) P model2 ( x ) \frac{P_{\text{model1}}(x)}{P_{\text{model2}}(x)} Pmodel2(x)Pmodel1(x)

实际应用

  1. 对抗训练:通过似然比区分真实vs生成文本

    def discriminator_loss(real_data, generated_data, model1, model2):# 计算似然比,用于区分真实数据和生成数据real_log_probs_1 = model1.log_probs(real_data)real_log_probs_2 = model2.log_probs(real_data)real_ratio = torch.exp(real_log_probs_1 - real_log_probs_2)gen_log_probs_1 = model1.log_probs(generated_data)gen_log_probs_2 = model2.log_probs(generated_data)gen_ratio = torch.exp(gen_log_probs_1 - gen_log_probs_2)# 优化目标:增大真实数据的比值,减小生成数据的比值loss = -torch.mean(torch.log(real_ratio)) - torch.mean(torch.log(1 - gen_ratio))return loss
    
  2. 模型选择:比较不同模型对数据的拟合能力

    def compare_models(test_data, model_a, model_b):log_probs_a = model_a.log_probs(test_data)log_probs_b = model_b.log_probs(test_data)# 如果比值>1,则模型A更适合数据log_ratio = log_probs_a - log_probs_breturn log_ratio.mean()
    
  3. 倾向性得分:用于评估生成偏好

    def calculate_preference_score(model, prompt_a, prompt_b):completion = model.generate(prompt_a)# 计算完成后的文本在两个不同提示下的对数概率log_prob_a = model.conditional_log_prob(completion, prompt_a)log_prob_b = model.conditional_log_prob(completion, prompt_b)# 返回倾向性得分return log_prob_a - log_prob_b
    

似然比是评估和比较概率模型的强大工具,在模型选择、假设检验和对抗学习中都有广泛应用。

概率论视角的综合应用

这些概率论概念不是孤立的,而是形成了一个连贯的理论框架,支撑着LLM的各个方面:

  1. 从训练到推理的完整流

    • 模型定义:条件概率分布 P ( x t ∣ x < t ) P(x_t|x_{<t}) P(xtx<t)
    • 训练目标:通过最大似然估计优化参数
    • 推理方法:通过各种采样策略从概率分布中生成样本
    • 评估标准:困惑度、校准误差等概率度量
  2. 不确定性的系统处理

    • 表示:概率分布的熵
    • 传播:通过采样和蒙特卡洛方法
    • 量化:方差、置信区间
    • 通信:校准的概率输出
  3. 概率框架的实际价值

    • 提供理论基础解释模型行为
    • 指导采样策略的选择
    • 启发新的训练和推理方法
    • 评估模型性能的系统标准

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能碳管理系统:助力企业实现“双碳“目标

在全球气候治理和绿色低碳发展的大背景下&#xff0c;能碳管理系统正成为企业应对气候变化、实现"碳达峰、碳中和"战略目标的核心工具。这一系统通过数字化手段将能源管理与碳排放管控深度融合&#xff0c;为企业低碳转型提供全方位支持。 一、系统架构与核心技术 …...

开源鸿蒙北向源码开发: 5.0kit化相关sdk编译

5.0kit化可以在编译系统sdk时添加,将你的kit文件加入编译使得最终生成的sdk包含kits文件 修改编译脚本 修改build仓里面的构建脚本文件,添加kits目录脚本命令 社区的build脚本已经有kits编译功能了,只需要把你的kits目录新增的kit拷贝到社区仓interface仓了,和社区的都一起编…...

多通道电源管理芯片在分布式能源系统中的优化策略

摘要&#xff1a;随着分布式能源系统的广泛应用&#xff0c;对电源管理芯片的性能要求日益提升。本文深入探讨了多通道电源管理芯片在分布式能源系统中的优化策略&#xff0c;以国科安芯的ASP4644芯片为例&#xff0c;从电气特性、工作模式、热管理、可靠性设计以及系统集成为主…...

IEEE 列表会议第五届机器人、自动化与智能控制国际会议

会议地点&#xff1a;中国 成都 会议官网&#xff1a;ICRAIC 主办单位&#xff1a;成都理工大学 协办单位&#xff1a;成都大学 早鸟截稿&#xff1a;2025年7月15日 截稿时间&#xff1a;2025年8月20日 出版信息&#xff1a;IEEE出版&EI数据库 会议时间&#xff1a…...

GitHub 趋势日报 (2025年05月15日)

本日报由 TrendForge 系统生成 https://trendforge.devlive.org/ &#x1f310; 本日报中的项目描述已自动翻译为中文 &#x1f4c8; 今日整体趋势 Top 10 排名项目名称项目描述今日获星总星数语言1TapXWorld/ChinaTextbookPDF教材。⭐ 6685⭐ 15287Roff2xming521/WeClone&…...

Java 并发编程归纳总结(可重入锁 | JMM | synchronized 实现原理)

1、锁的可重入 一个不可重入的锁&#xff0c;抢占该锁的方法递归调用自己&#xff0c;或者两个持有该锁的方法之间发生调用&#xff0c;都会发生死锁。以之前实现的显式独占锁为例&#xff0c;在递归调用时会发生死锁&#xff1a; public class MyLock implements Lock {/* 仅…...

Git 笔记

设置Git的user name和email $ git config --global user.name "bread" $ git config --global user.email "1234567890qq.com"因为Git是分布式版本控制系统&#xff0c;所以需要填写用户名和邮箱作为一个标识。git config --global 参数&#xff0c;有了这…...

蒟蒻编程日志

ORZ &#xff08;用于记录你这个“人”是不是真的&#xff0c;也就是说CSDN的流量是否属合适&#xff09; 2025/4/14 21:25 开坑 前言 2024/10/26&#xff1a;CSP-J 260pts&#xff0c;CSP-S 45pts。 2025/3/1&#xff1a;%你赛 180pts rk34 寄&#xff01;这就是不认真的…...

深入GoFrame框架:GToken的优势、实践与踩坑经验分享

一、引言 近年来&#xff0c;Go语言凭借其简洁的语法、高并发性能和强大的标准库&#xff0c;在后端开发领域迅速崛起。从微服务到企业级应用&#xff0c;Go的生态圈正在蓬勃发展&#xff0c;吸引了越来越多的开发者投入其中。在这个生态中&#xff0c;框架的选择往往决定了项…...

MODBUS RTU调试助手使用方法详解

一、软件简介 485调试助手是一款常用的串口通信调试工具&#xff0c;专门用于RS-485总线设备的测试、调试和通信监控。它支持多种串口参数设置&#xff0c;提供数据收发功能&#xff0c;是工业现场调试的必备工具之一。 二、软件安装与启动 1. 系统要求 Windows 7/10/11操作…...

【专利信息服务平台-注册/登录安全分析报告】

前言 由于网站注册入口容易被黑客攻击&#xff0c;存在如下安全问题&#xff1a; 暴力破解密码&#xff0c;造成用户信息泄露短信盗刷的安全问题&#xff0c;影响业务及导致用户投诉带来经济损失&#xff0c;尤其是后付费客户&#xff0c;风险巨大&#xff0c;造成亏损无底洞…...

我用 Appuploader绕过 Mac,成功把 iOS 应用上线了 App Store

我以前总觉得&#xff0c;iOS 上架是 macOS Xcode 专属的领域。直到最近项目必须要上架 iOS&#xff0c;团队却没人用 Mac&#xff0c;只能临时组建了一套“跨平台上架流程”。 这篇文章记录我这个“非典型 iOS 开发者”是如何绕开传统 Xcode 流程&#xff0c;借助一系列工具…...

Mac上安装运行SynthTIGER

1. 确保已安装 Python 环境 SynthTIGER 需要 Python 3.6。如果你的 Mac 没有安装 Python&#xff1a; 推荐通过 Homebrew 安装&#xff1a; brew install python 或从 Python 官网 下载安装。 验证安装&#xff1a; python3 --version pip3 --version 2. 安装 SynthTIGER…...

从代码学习深度学习 - 实战Kaggle比赛:狗的品种识别(ImageNet Dogs)PyTorch版

文章目录 前言1. 获取和整理数据集1.1 读取标签1.2 整理数据集&#xff1a;划分训练集和验证集1.3 整理测试集1.4 执行数据重组 2. 图像增广3. 读取数据集3.1 创建Dataset实例3.2 创建DataLoader实例 4. 微调预训练模型4.1 定义网络结构4.2 定义损失函数和评估函数 5. 定义训练…...

翼兴消防监控 – 大数据可视化HTML源码

概述 在当今数据驱动的时代&#xff0c;大数据可视化已成为各行各业不可或缺的工具。幽络源今天为大家带来一款基于ECharts的消防监控大屏HTML源码&#xff0c;帮助开发者快速搭建专业级数据展示界面。这款源码设计简洁大方&#xff0c;功能完善&#xff0c;适合各类监控场景使…...

搭建运行若依微服务版本ruoyi-cloud最新教程

搭建运行若依微服务版本ruoyi-cloud 一、环境准备 JDK > 1.8MySQL > 5.7Maven > 3.0Node > 12Redis > 3 二、后端 2.1数据库准备 在navicat上创建数据库ry-seata、ry-config、ry-cloud运行SQL文件ry_20250425.sql、ry_config_20250224.sql、ry_seata_2021012…...

火山引擎AI大模型

火山引擎的AI大模型&#xff08;如**“云雀”大模型**&#xff09;作为字节跳动旗下的核心技术产品&#xff0c;在性能、应用场景和技术生态上表现较为突出&#xff0c;尤其在字节自身业务&#xff08;如抖音、TikTok等&#xff09;的打磨下&#xff0c;具备较强的实用性和行业…...

isaacgym环境安装

1. 系统环境 操作系统&#xff1a;Ubuntu 18.04.6 LTSGPU&#xff1a;NVIDIA TITAN RTXDriver 版本: 510.108.03CUDA 版本&#xff1a;11.6 2. conda安装以及环境安装 略过&#xff08;参考内容&#xff1a;https://github.com/unitreerobotics/unitree_rl_gym/blob/main/doc…...

使用Mathematica制作Lorenz吸引子的轨道追踪视频

Lorenz奇异吸引子是混沌理论中最早被发现和研究的吸引子之一&#xff0c;它由Edward Lorenz在1963年研究确定性非周期流时提出。Lorenz吸引子以其独特的"蝴蝶"形状而闻名&#xff0c;是混沌系统和非线性动力学的经典例子。 L NDSolveValue[{x[t] -3 (x[t] - y[t]),…...