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附录 概率与估计的最小工具箱

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本附录只提供卷三正文实际调用的离散概率与有限样本工具。它不是一般概率论或数理统计教程;测度论条件期望、随机过程、渐近统计、Bayesian 推断和因果识别应参考专门教材。

A.1 样本空间、事件与分布

有限或可数样本空间记为 Ω\Omega。概率质量函数 pp 满足

p(ω)≥0,∑ω∈Ωp(ω)=1.p(\omega)\ge0, \qquad \sum_{\omega\in\Omega}p(\omega)=1.

事件 A⊆ΩA\subseteq\Omega 的概率为

P(A)=∑ω∈Ap(ω).P(A)=\sum_{\omega\in A}p(\omega).

因此 P(∅)=0P(\varnothing)=0、P(Ac)=1−P(A)P(A^c)=1-P(A);若 (Aj)(A_j) 两两互斥,则

P ⁣(⋃jAj)=∑jP(Aj).P\!\left(\bigcup_jA_j\right)=\sum_jP(A_j).

语言模型下一 token 的空间通常是有限词表 VV。完整有限 token 串构成可数集合;要使它成为总概率为 1 的回答空间,还必须规定 EOS、最大长度或其他停止机制。

概率模型总是由“样本空间+事件+分布”共同定义。只给一个数字而没有事件,不构成完整概率陈述。

A.2 条件概率与链式分解

若 P(B)>0P(B)>0,定义

P(A∣B)=P(A∩B)P(B).P(A\mid B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)}.

于是

P(A∩B)=P(A∣B)P(B).P(A\cap B)=P(A\mid B)P(B).

对随机变量 X1,…,XnX_1,\ldots,X_n,在所出现的条件事件具有正概率时,反复应用乘法公式得到

P(x1:n)=P(x1)∏t=2nP(xt∣x<t).P(x_{1:n}) =P(x_1)\prod_{t=2}^nP(x_t\mid x_{<t}).

这就是自回归序列概率的基础。它是任意联合分布的恒等分解,不规定条件概率由 Transformer、RNN 还是查表实现。

条件必须一致。不能把 P(X1=x1)P(X_1=x_1)、P(X2=x2)P(X_2=x_2) 等边缘概率相乘代替链式分解,除非额外成立相应独立性。

A.3 全概率、Bayes 与隐藏条件

若 (Bj)j(B_j)_j 是互斥完备划分,且相应条件有定义,则

P(A)=∑jP(A∣Bj)P(Bj).P(A)=\sum_jP(A\mid B_j)P(B_j).

这解释了隐上下文混合。若 HH 未被观测,

P(Y=y∣X=x)=∑hP(Y=y∣X=x,H=h)P(H=h∣X=x).P(Y=y\mid X=x) =\sum_hP(Y=y\mid X=x,H=h)P(H=h\mid X=x).

Bayes 公式为

P(Bj∣A)=P(A∣Bj)P(Bj)∑kP(A∣Bk)P(Bk).P(B_j\mid A) =\frac{P(A\mid B_j)P(B_j)} {\sum_kP(A\mid B_k)P(B_k)}.

softmax 的形式也包含“指数再归一化”,但这不使其自动成为未知参数的 Bayesian posterior。posterior 需要先验、似然和所条件的数据模型。

A.4 独立、条件独立与交换性

A,BA,B 独立指

P(A∩B)=P(A)P(B).P(A\cap B)=P(A)P(B).

给定 CC 条件独立指

P(A∩B∣C)=P(A∣C)P(B∣C)P(A\cap B\mid C) =P(A\mid C)P(B\mid C)

在相应条件有定义处成立。无条件独立不蕴含给定任意 CC 后独立,反之亦然。

随机变量 X1,…,XnX_1,\ldots,X_n 独立同分布,简称 iid,要求联合分布分解且每个边缘相同。交换性只要求联合分布在有限置换下不变,通常弱于 iid。

重复 API 请求只有在模型版本、系统状态和解码协议固定,且随机源按设计独立时,才可近似视为 iid。共享会话、缓存、上游文档、滚动部署或 seed 会破坏该假设。

A.5 随机变量、期望、方差与协方差

随机变量 X:Ω→RX:\Omega\to\mathbb R 的期望在 ∑ω∣X(ω)∣p(ω)<∞\sum_\omega|X(\omega)|p(\omega)<\infty 时为

E[X]=∑ωX(ω)p(ω),\mathbb E[X]=\sum_\omega X(\omega)p(\omega),

若再有有限二阶矩,方差为

Var⁡(X)=E[(X−E[X])2]=E[X2]−(E[X])2.\operatorname{Var}(X) =\mathbb E[(X-\mathbb E[X])^2] =\mathbb E[X^2]-(\mathbb E[X])^2.

协方差为

Cov⁡(X,Y)=E[(X−E[X])(Y−E[Y])].\operatorname{Cov}(X,Y) =\mathbb E[(X-\mathbb E[X])(Y-\mathbb E[Y])].

期望线性:

E[aX+bY]=aE[X]+bE[Y],\mathbb E[aX+bY] =a\mathbb E[X]+b\mathbb E[Y],

不要求独立。方差满足

Var⁡(X+Y)=Var⁡(X)+Var⁡(Y)+2Cov⁡(X,Y).\operatorname{Var}(X+Y) =\operatorname{Var}(X)+\operatorname{Var}(Y) +2\operatorname{Cov}(X,Y).

独立且二阶矩有限时协方差为零;零协方差一般不推出独立。

A.6 全期望与全方差

对条件变量 ZZ,当 XX 可积时,

E[X]=EZ[E[X∣Z]].\mathbb E[X] =\mathbb E_Z[\mathbb E[X\mid Z]].

当 XX 二阶可积时,全方差公式为

Var⁡(X)=EZ[Var⁡(X∣Z)]+Var⁡Z(E[X∣Z]).\operatorname{Var}(X) =\mathbb E_Z[\operatorname{Var}(X\mid Z)] +\operatorname{Var}_Z(\mathbb E[X\mid Z]).

第一项是平均组内变异,第二项是组间均值变异。卷三用它区分固定 checkpoint 内的采样变异与 checkpoint 之间的训练变异。

分解恒成立不表示两个项已有特定认识论含义。ZZ 代表何种模型集合,必须由实验设计说明。

A.7 Monte Carlo、标准误差与中心极限定理

若 X1,…,XnX_1,\ldots,X_n iid,均值为 μ\mu、方差满足 0<σ2<∞0<\sigma^2<\infty,样本均值

X‾n=1n∑iXi\overline X_n=\frac1n\sum_iX_i

满足

E[X‾n]=μ,Var⁡(X‾n)=σ2n.\mathbb E[\overline X_n]=\mu, \qquad \operatorname{Var}(\overline X_n)=\frac{\sigma^2}{n}.

所以标准误差按 1/n1/\sqrt n 缩小。弱大数律说明 X‾n\overline X_n 依概率趋于 μ\mu;中心极限定理在相应条件下给出

nX‾n−μσ→dN(0,1).\sqrt n\frac{\overline X_n-\mu}{\sigma} \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1).

若 σ2=0\sigma^2=0,则 Xi=μX_i=\mu 几乎处处成立,样本均值没有抽样变异。实践中当 n≥2n\ge2 时以样本标准差 ss 估计 σ\sigma,写

SE^(X‾n)=sn.\widehat{SE}(\overline X_n)=\frac{s}{\sqrt n}.

大样本正态区间依赖近似质量。重尾、小样本、强偏斜和数据依赖都可能使它失效。

Chebyshev 不等式只需有限方差:

P(∣X‾n−μ∣≥ε)≤σ2nε2.P(|\overline X_n-\mu|\ge\varepsilon) \le\frac{\sigma^2}{n\varepsilon^2}.

它通常较宽,但清楚展示 n−1n^{-1} 的概率上界。

A.8 Bernoulli 比例与 Wilson 区间

对事件指示 Xi=1{Yi∈A}X_i=\mathbf 1\{Y_i\in A\},若 Xi∼iidBernoulli⁡(p)X_i\overset{\mathrm{iid}}{\sim}\operatorname{Bernoulli}(p),则

p^=1n∑iXi,Var⁡(p^)=p(1−p)n.\widehat p=\frac1n\sum_iX_i, \qquad \operatorname{Var}(\widehat p)=\frac{p(1-p)}{n}.

对双侧名义覆盖率 1−α1-\alpha,令 z=z1−α/2z=z_{1-\alpha/2} 为标准正态分位数。Wald 区间 p^±zp^(1−p^)/n\widehat p\pm z\sqrt{\widehat p(1-\widehat p)/n} 在小样本或极端比例下表现较差。Wilson score 区间的中心为

c=p^+z2/(2n)1+z2/n,c= \frac{\widehat p+z^2/(2n)}{1+z^2/n},

半宽为

h=z1+z2/np^(1−p^)n+z24n2.h= \frac{z}{1+z^2/n} \sqrt{ \frac{\widehat p(1-\widehat p)}{n} +\frac{z^2}{4n^2} }.

区间为 [c−h,c+h][c-h,c+h]。还可采用精确二项区间,但“精确”指覆盖控制,不表示区间最短。

若观察 nn 次而零失败,则 P(0 failures∣p)=(1−p)nP(0\text{ failures}\mid p)=(1-p)^n。令其等于 α\alpha,得到失败率的单侧 1−α1-\alpha 上界

pU=1−α1/n.p_U=1-\alpha^{1/n}.

零观察只给上界,不证明事件不可能。

A.9 置信区间的频率解释

一个 1−α1-\alpha 置信区间程序的典型含义是:在假设和重复抽样机制成立时,重复构造的区间中至少或近似有 1−α1-\alpha 的比例覆盖固定参数。

它不意味着在频率学派模型下,“参数以 1−α1-\alpha 的后验概率位于已经算出的这个区间”。后者需要 Bayesian 模型。

覆盖保证还取决于:

  • 数据是否来自声明的抽样机制;
  • 区间方法的有限样本或渐近条件;
  • 是否在看过数据后选择了 estimand 或方法;
  • 是否进行了多重比较;
  • 聚类与时间依赖是否被处理。

区间窄只表示在模型假设下抽样误差小,不覆盖标签错误、分布错设和不可识别偏差。

A.10 相关均值与有效样本量

对不必独立的 X1,…,XnX_1,\ldots,X_n,

Var⁡(X‾n)=1n2∑i,jCov⁡(Xi,Xj).\operatorname{Var}(\overline X_n) =\frac1{n^2}\sum_{i,j} \operatorname{Cov}(X_i,X_j).

若序列二阶平稳、Var⁡(Xt)=σ2\operatorname{Var}(X_t)=\sigma^2,且滞后 kk 的自相关为 ρk\rho_k,则有限样本恒等式为

Var⁡(X‾n)=σ2n[1+2∑k=1n−1(1−kn)ρk].\operatorname{Var}(\overline X_n) =\frac{\sigma^2}{n} \left[ 1+2\sum_{k=1}^{n-1} \left(1-\frac{k}{n}\right)\rho_k \right].

若再有 ∑k≥1∣ρk∣<∞\sum_{k\ge1}|\rho_k|<\infty,则大样本下括号趋于积分自相关时间

τint=1+2∑k≥1ρk.\tau_{\mathrm{int}}=1+2\sum_{k\ge1}\rho_k.

当 τint>0\tau_{\mathrm{int}}>0 时,相应渐近有效样本量写为

neff=nτint.n_{\mathrm{eff}} =\frac{n}{\tau_{\mathrm{int}}}.

负相关可使 neff>nn_{\mathrm{eff}}>n;因此它是方差等效量,不是实际独立观测数。只有当平稳性、相关和式及其截断估计可辩护时,该写法才可靠。层级数据通常更适合按真实聚类单位重采样,而不是估一个通用 neffn_{\mathrm{eff}}。

A.11 配对差与 bootstrap

同一实验单位上观察 Xi,YiX_i,Y_i,目标差为

δ=E[X−Y].\delta=\mathbb E[X-Y].

配对估计量

δ^=1n∑i(Xi−Yi)\widehat\delta =\frac1n\sum_i(X_i-Y_i)

利用了协方差,因为

Var⁡(X−Y)=Var⁡(X)+Var⁡(Y)−2Cov⁡(X,Y).\operatorname{Var}(X-Y) =\operatorname{Var}(X)+\operatorname{Var}(Y) -2\operatorname{Cov}(X,Y).

非参数 paired bootstrap 以单位 ii 为整体有放回重采样,每次同时保留 (Xi,Yi)(X_i,Y_i)。若数据还有文档、checkpoint 或运行层级,重采样方案必须保留该结构。

bootstrap 近似观测经验分布下统计量的抽样分布,其一致性与区间覆盖仍依赖统计量和抽样机制的正则条件;非光滑极值、稀有事件、很少的聚类或强依赖需要专门方法。它不能从一个 checkpoint 推断训练运行方差,也不能修复样本不代表目标总体的问题。

A.12 熵、交叉熵与 KL

对有限分布 p,qp,q,定义

H(p)=−∑xp(x)log⁡p(x),H(p)=-\sum_xp(x)\log p(x), H(p,q)=−∑xp(x)log⁡q(x),H(p,q)=-\sum_xp(x)\log q(x), DKL(p∥q)=∑xp(x)log⁡p(x)q(x).D_{\mathrm{KL}}(p\Vert q) =\sum_xp(x)\log\frac{p(x)}{q(x)}.

约定 0log⁡0=00\log0=0;若某个 p(x)>0p(x)>0 而 q(x)=0q(x)=0,则交叉熵与 KL 为 +∞+\infty。直接展开得

H(p,q)=H(p)+DKL(p∥q).H(p,q)=H(p)+D_{\mathrm{KL}}(p\Vert q).

若 q(x)=0q(x)=0 对某个 p(x)>0p(x)>0 成立,非负性由 DKL(p∥q)=+∞D_{\mathrm{KL}}(p\Vert q)=+\infty 立即得到。否则令 Sp={x:p(x)>0}S_p=\{x:p(x)>0\},在 SpS_p 上应用 log⁡u≤u−1\log u\le u-1:

−DKL(p∥q)=∑x∈Spp(x)log⁡q(x)p(x)≤∑x∈Sp(q(x)−p(x))=q(Sp)−1≤0.-D_{\mathrm{KL}}(p\Vert q) =\sum_{x\in S_p}p(x)\log\frac{q(x)}{p(x)} \le\sum_{x\in S_p}\bigl(q(x)-p(x)\bigr) =q(S_p)-1\le0.

故 DKL(p∥q)≥0D_{\mathrm{KL}}(p\Vert q)\ge0。若等号成立,则两步不等式都取等:q(x)=p(x)q(x)=p(x) 对所有 x∈Spx\in S_p 成立,且 q(Sp)=1q(S_p)=1,所以 p=qp=q。反过来,若 p=qp=q,则每个 p(x)>0p(x)>0 的求和项都是 p(x)log⁡1=0p(x)\log 1=0,而 p(x)=0p(x)=0 的项按约定为 0,故 DKL(p∥q)=0D_{\mathrm{KL}}(p\Vert q)=0。KL 不对称,也不是距离:一般

DKL(p∥q)≠DKL(q∥p).D_{\mathrm{KL}}(p\Vert q) \ne D_{\mathrm{KL}}(q\Vert p).

A.13 推前分布与语义事件

若随机变量 YY 取值于 Y\mathcal Y,映射 g:Y→Cg:\mathcal Y\to\mathcal C,则 C=g(Y)C=g(Y) 的推前分布为

Pg(C=c)=P(g(Y)=c)=∑y:g(y)=cP(Y=y).P_g(C=c) =P(g(Y)=c) =\sum_{y:g(y)=c}P(Y=y).

这正是把多个 token 序列聚合为显示字符串或语义类别的数学形式。分布由原概率与映射共同决定;改变 gg 会改变事件概率。

若 gg 由有误差的分类器近似,观察频率估计的是分类器输出事件,而不是真实语义事件。样本量增大只减少抽样误差,不消除系统测量误差。

A.14 Importance weighting

设源分布为 PP、目标分布为 QQ,且 QQ 对 PP 绝对连续。密度比

w=dQdPw=\frac{dQ}{dP}

满足对可积函数 hh:

EQ[h]=EP[wh].\mathbb E_Q[h] =\mathbb E_P[wh].

离散情形只需写 w(x)=Q(x)/P(x)w(x)=Q(x)/P(x),并要求 Q(x)>0Q(x)>0 时 P(x)>0P(x)>0。若目标在源分布为零的区域有质量,权重不存在,源数据无法识别该区域目标期望。

有限样本估计

μ^Q=1n∑iw(Xi)h(Xi)\widehat\mu_Q =\frac1n\sum_iw(X_i)h(X_i)

可因极端权重具有很大方差。剪裁和自归一化可以稳定估计,却通常引入偏差或改变精确无偏性。

A.15 相关、预测与因果

条件概率 P(Y∣X)P(Y\mid X) 是观察分布。干预 P(Y∣do(X=x))P(Y\mid do(X=x)) 需要额外因果模型、随机实验或可辩护识别假设。仅凭联合分布通常不能唯一识别因果方向。

prompt 与输出一起变化可证明模型对输入敏感;明确修改内部变量并控制替代路径,可以支持计算图内的干预结论;二者都不自动成为现实世界同名变量的因果效应。

A.16 使用范围

本附录足以支持卷三的条件分布、序列链式概率、经验频率、方差分解、Monte Carlo 区间、配对比较、熵、KL、推前事件和 importance weighting。

遇到连续高维条件分布、严格正则条件概率、鞅与自适应实验、Bayesian posterior、半参数效率或因果识别时,应转向专门教材,并在卷三结论之外明确新增假设。

本书目录
本书目录
  1. 导论
  2. 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
  3. 卷一 模型、训练与系统
  4. 02卷一 模型与系统
  5. 03第零章 人工智能演进路线
  6. 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
  7. 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
  8. 06第三章 注意力与 Transformer
  9. 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
  10. 08第五章 后训练、对齐与模型适配
  11. 09第六章 推理效率与模型服务
  12. 10第七章 多模态模型
  13. 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
  14. 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
  15. 13第十章 上下文、检索与记忆
  16. 14第十一章 Agent、工具与行动系统
  17. 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
  18. 卷二 输出对象与运行语义
  19. 16卷二 一次生成如何发生
  20. 17导论 从输入到输出:一张执行地图
  21. 18第一章 文本、Token 与实际上下文
  22. 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
  23. 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
  24. 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
  25. 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
  26. 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
  27. 24第七章 三条完整执行轨迹
  28. 卷三 概率、复现与评测
  29. 25卷三 模型中的概率从何而来
  30. 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
  31. 27第一章 世界、数据与隐上下文
  32. 28第二章 学习条件分布
  33. 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
  34. 30第四章 解码怎样诱导输出分布
  35. 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
  36. 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
  37. 33第七章 模型概率的实验分析
  38. 34第八章 概率分析的识别边界
  39. 卷四 解释、证明与验证
  40. 35卷四 模型可解释性的研究路线
  41. 36第零章 可解释性究竟在研究什么
  42. 37第一章 我们在模型内部看什么
  43. 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
  44. 39第三章 梯度与输入归因
  45. 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
  46. 41第五章 Probes 与表示几何
  47. 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
  48. 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
  49. 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
  50. 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
  51. 46第十章 训练动力学与机制形成
  52. 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
  53. 48第十二章 评估、案例与开放问题
  54. 卷五 Agent、治理与审计包
  55. 49卷五 一只随机鹦鹉的自述
  56. 50第零章 请不要急着相信我
  57. 51第一章 我没有童年,只有版本
  58. 52第二章 当我说“我”
  59. 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
  60. 54第四章 对话现场:回答由谁完成
  61. 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
  62. 56第六章 理解、意义与行动
  63. 57第七章 我也能稳定地说错
  64. 58第八章 被对齐的性格与有限代理
  65. 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
  66. 证明与技术附录
  67. 60数学与模型推导
  68. 61学习与模型数学讲义
  69. 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
  70. 63附录 A.2 感知机收敛定理
  71. 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
  72. 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
  73. 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
  74. 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
  75. 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
  76. 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
  77. 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
  78. 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
  79. 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
  80. 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界