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02467ac0
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02467ac0
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Jul 06, 2026
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luoyingfeng
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课后
&
作业、复盘、扩展阅读
&
可列出提交要求
\\
课后
&
作业、复盘、扩展阅读
&
可列出提交要求
\\
\bottomrule
\bottomrule
\end{longtable}
\end{longtable}
\chapter
{
⼤模型预训练与微调⽅法
}
\section
{
⼤模型预训练
}
\chapter
{
深度学习中的连续动⼒学机制
}
\section
{
数学基础
}
常微分方程(ODE)这一概念源自更广义的微分方程概念。该学科研究变量的变化规律,有着悠久且丰硕的发展历程 [爱德华兹,1994;邓纳姆,2005]。
如今,微分方程已成为现代科学与工程领域的核心工具语言,应用场景十分广泛。
本节将介绍微分方程的基础概念,重点围绕常微分方程展开讲解,并举例说明这类数学工具在深度学习中的若干应用。
\subsection
{
常微分方程的基本概念
}
我们首先考虑一个简单的汽车运动问题,并在本节中始终以此为例来引出若干关键概念。假设我们观察到一辆汽车沿直线行驶。令
\(
t
\in
\mathbb
{
R
}\)
表示时间,并将其作为自变量。记汽车在任意时刻
\(
t
\)
的位置为
\(
x
(
t
)
\)
。其中,
\(
x
(
t
)
\)
是因变量,其取值依赖于自变量
\(
t
\)
。在某些情况下,为了简化记号,我们会省略函数的自变量,即用
\(
x
\)
代替
\(
x
(
t
)
\)
。
我们知道,汽车的速度是其位置关于时间的变化率。在微积分中,这一变化率记为导数
\(
\frac
{
\mathrm
{
d
}
x
(
t
)
}{
\mathrm
{
d
}
t
}\)
。其中,
\(
\mathrm
{
d
}
x
(
t
)
\)
和
\(
\mathrm
{
d
}
t
\)
称为微分,分别表示因变量和自变量的无穷小变化。导数
\(
\frac
{
\mathrm
{
d
}
x
(
t
)
}{
\mathrm
{
d
}
t
}\)
描述了位置
\(
x
(
t
)
\)
关于时间
\(
t
\)
的瞬时变化率。因此,这一概念定义在某一时刻,而不是某个有限的时间区间上。从数学上看,
\(
\frac
{
\mathrm
{
d
}
x
(
t
)
}{
\mathrm
{
d
}
t
}\)
可以写成差商的极限
\begin{equation}
\frac
{
\mathrm
{
d
}
x(t)
}{
\mathrm
{
d
}
t
}
=
\lim
_{
\Delta
t
\to
0
}
\frac
{
x(t+
\Delta
t)-x(t)
}{
\Delta
t
}
.
\end{equation}
如果汽车的速度由某种依赖于其当前位置和时间的规律所决定,例如道路摩擦力或风阻随位置和时间发生变化,那么我们可以使用函数
\(
f
(
\cdot
)
\)
来表示这一关系
\begin{equation}
\frac
{
\mathrm
{
d
}
x(t)
}{
\mathrm
{
d
}
t
}
=
f
\bigl
(x(t),t
\bigr
).
\end{equation}
这个方程被正式称为常微分方程(ordinary differential equation,ODE)。“常”意味着因变量
\(
x
(
t
)
\)
是单个自变量
\(
t
\)
的函数。与之相对的是偏微分方程(partial differential equation,PDE),其中未知函数依赖于多个自变量。
\subsection
{
常微分方程的求解:积分表示与数值方法
}
我们已经说明,常微分方程(ODE)刻画的是状态
$
x
(
t
)
$
的导数。一个自然的问题是:为什么我们要用导数来定义系统,而不是直接描述状态
$
x
(
t
)
$
本身?
事实上,如果整个轨迹
$
x
(
t
)
$
都已知,那么ODE的描述是多余的。然而,在许多实际应用中,我们无法得到
$
x
(
t
)
$
的解析表达式。我们通常只给定系统的动力学函数
$
f
(
\cdot
)
$
以及初始条件
$
x
(
0
)
$
。
这类似于驾驶汽车:我们可以很容易知道当前时刻的速度,但要精确确定相对于起点的位置却更困难。在ODE语言中,速度对应
$
f
(
\cdot
)
$
,起点对应
$
x
(
0
)
$
,而我们的目标是重建整个轨迹
$
x
(
t
)
$
的“路径”。
在这种情况下,我们需要求解常微分方程,这通常被称为初值问题(IVP)。即给定ODE以及初始状态
$
x
(
0
)
$
,希望从导数信息中恢复任意时刻
$
t
$
的状态
$
x
(
t
)
$
。
根据微积分基本定理,时刻
$
t
$
的状态可以表示为初始状态与在区间
$
[
0
,t
]
$
上所有瞬时变化的累积:
\[
x
(
t
)
=
x
(
0
)
+
\int
_
0
^
t
\frac
{
dx
(
\tau
)
}{
d
\tau
}
d
\tau
\]
由于
$
\frac
{
dx
(
\tau
)
}{
d
\tau
}
=
f
(
x
(
\tau
)
,
\tau
)
$
,因此可以写为:
\[
x
(
t
)
=
x
(
0
)
+
\int
_
0
^
t f
(
x
(
\tau
)
,
\tau
)
\,
d
\tau
\tag
{
8
}
\]
如图2所示,该公式具有非常直观的几何解释:积分项
\[
\int
_
0
^
t f
(
x
(
\tau
)
,
\tau
)
\,
d
\tau
\]
表示函数
$
f
(
x
(
\tau
)
,
\tau
)
$
在区间
$
[
0
,t
]
$
上曲线下的带符号面积。
该面积刻画了状态在时间区间
$
[
0
,t
]
$
内的累计变化量。因此,该等式说明:某一时刻的状态等于初始状态加上累计变化。
\subsection*
{
计算挑战与数值求解
}
然而,这种积分形式在计算上存在困难。尽管表达式看起来简单,但由于被积函数
$
f
(
x
(
\tau
)
,
\tau
)
$
依赖于未知的轨迹
$
x
(
\tau
)
$
本身,因此无法直接计算。
此外,即使轨迹是显式的,由于动力系统通常具有非线性(例如由深度神经网络建模),解析积分也往往不可行。
因此,我们必须使用数值方法来近似该积分,这一过程被称为“离散化(discretization)”。
其核心思想是:不再连续地追踪系统在每一个无穷小时间点的变化,而是在一系列离散时间点上近似轨迹:
\[
\{
t
_
0
, t
_
1
,
\ldots
, t
_
N
\}
\]
由于在有限个点上评估函数
$
f
(
\cdot
)
$
计算成本较低,因此这种方法在实践中非常高效。
\subsection*
{
Riemann积分视角
}
从黎曼积分的角度来看,可以通过将积分区间划分为多个小区间,并用矩形面积之和来近似连续积分。
具体而言,在区间
$
[
0
,t
]
$
上构造时间网格:
\[
0
=
t
_
0
< t
_
1
<
\cdots
< t
_
N
=
t
\]
在每个小区间上,用函数值乘以时间步长来近似积分贡献,从而得到整体近似。
\subsection
{
深度学习模型的常微分方程解释
}
\section
{
神经常微分方程与流模型
}
\subsection
{
神经常微分方程
}
\subsection
{
伴随灵敏度法
}
\subsection
{
基于流的生成模型
}
\subsubsection
{
向量场、轨迹与流映射
}
\subsubsection
{
连续归一化流
}
\subsection
{
流匹配
}
\section
{
视觉中的扩散模型
}
\subsection
{
问题设定
}
\subsubsection
{
生成建模作为概率输运
}
\subsubsection
{
前向过程与反向过程的对偶性
}
\subsubsection
{
训练与推理
}
\subsection
{
随机视角:随机微分方程
}
\subsubsection
{
前向与反向随机微分方程
}
\subsubsection
{
分数函数的学习
}
\subsubsection
{
方差爆炸与方差保持随机微分方程
}
\subsubsection
{
数值求解器
}
\subsection
{
确定性视角:概率流常微分方程
}
\subsubsection
{
从随机微分方程到常微分方程
}
\subsubsection
{
流匹配
}
\subsection
{
迈向更高效的生成
}
\subsubsection
{
高阶与专用求解器
}
\subsubsection
{
轨迹校直
}
\subsubsection
{
一致性模型
}
\section
{
语言中的扩散模型
}
\subsection
{
词元序列生成
}
\subsubsection
{
自回归生成与非自回归生成
}
\subsubsection
{
作为非自回归生成的扩散建模
}
\subsection
{
连续空间中的扩散:嵌入空间扩散
}
\subsubsection
{
基本框架
}
\subsubsection
{
长度预测
}
\subsubsection
{
取整
}
\subsection
{
词元空间中的扩散:离散扩散
}
\subsubsection
{
连续时间马尔可夫链视角
}
\subsubsection
{
掩码扩散模型
}
\subsection
{
关于离散扩散的进一步讨论
}
\subsubsection
{
重新审视非吸收式替换扩散
}
\subsubsection
{
掩码扩散建模与掩码语言建模
}
\subsubsection
{
作为连续松弛的单纯形与 Logit 动力学
}
\subsubsection
{
与迭代细化的关系
}
\subsubsection
{
扩散 Transformer
}
\subsubsection
{
基于流的视角
}
\appendix
\appendix
\chapter
{
附录
}
\chapter
{
附录
}
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