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。概率质量函数 p 满足
p(ω)≥0,ω∈Ω∑p(ω)=1.
事件 A⊆Ω 的概率为
P(A)=ω∈A∑p(ω).
因此 P(∅)=0、P(Ac)=1−P(A);若 (Aj) 两两互斥,则
P(j⋃Aj)=j∑P(Aj).
语言模型下一 token 的空间通常是有限词表 V。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)>0,定义
P(A∣B)=P(B)P(A∩B).
于是
P(A∩B)=P(A∣B)P(B).
对随机变量 X1,…,Xn,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=2∏nP(xt∣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(X2=x2) 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 是互斥完备划分,且相应条件有定义,则
P(A)=j∑P(A∣Bj)P(Bj).
这解释了隐上下文混合。若 H 未被观测,
P(Y=y∣X=x)=h∑P(Y=y∣X=x,H=h)P(H=h∣X=x).
Bayes 公式为
P(Bj∣A)=∑kP(A∣Bk)P(Bk)P(A∣Bj)P(Bj).
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,B 独立指
P(A∩B)=P(A)P(B).
给定 C 条件独立指
P(A∩B∣C)=P(A∣C)P(B∣C)
在相应条件有定义处成立。无条件独立不蕴含给定任意 C 后独立,反之亦然。
随机变量 X1,…,Xn 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→R 的期望在 ∑ω∣X(ω)∣p(ω)<∞ 时为
E[X]=ω∑X(ω)p(ω),
若再有有限二阶矩,方差为
Var(X)=E[(X−E[X])2]=E[X2]−(E[X])2.
协方差为
Cov(X,Y)=E[(X−E[X])(Y−E[Y])].
期望线性:
E[aX+bY]=aE[X]+bE[Y],
不要求独立。方差满足
Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)+2Cov(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 Z,当 X 可积时,
E[X]=EZ[E[X∣Z]].
当 X 二阶可积时,全方差公式为
Var(X)=EZ[Var(X∣Z)]+VarZ(E[X∣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。Z 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,…,Xn iid,均值为 μ、方差满足 0<σ2<∞,样本均值
Xn=n1i∑Xi
满足
E[Xn]=μ,Var(Xn)=nσ2.
所以标准误差按 1/n 缩小。弱大数律说明 Xn 依概率趋于 μ;中心极限定理在相应条件下给出
nσXn−μdN(0,1).
若 σ2=0,则 Xi=μ 几乎处处成立,样本均值没有抽样变异。实践中当 n≥2 时以样本标准差 s 估计 σ,写
SE(Xn)=ns.
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(∣Xn−μ∣≥ε)≤nε2σ2.
它通常较宽,但清楚展示 n−1 的概率上界。
A.8 Bernoulli 比例与 Wilson 区间
对事件指示 Xi=1{Yi∈A},若 Xi∼iidBernoulli(p),则
p=n1i∑Xi,Var(p)=np(1−p).
对双侧名义覆盖率 1−α,令 z=z1−α/2 为标准正态分位数。Wald 区间 p±zp(1−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=1+z2/np+z2/(2n),
半宽为
h=1+z2/nznp(1−p)+4n2z2.
区间为 [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 n 次而零失败,则 P(0 failures∣p)=(1−p)n。令其等于 α,得到失败率的单侧 1−α 上界
pU=1−α1/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−α 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−α 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−α 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,…,Xn,
Var(Xn)=n21i,j∑Cov(Xi,Xj).
若序列二阶平稳、Var(Xt)=σ2,且滞后 k 的自相关为 ρk,则有限样本恒等式为
Var(Xn)=nσ2[1+2k=1∑n−1(1−nk)ρk].
若再有 ∑k≥1∣ρk∣<∞,则大样本下括号趋于积分自相关时间
τint=1+2k≥1∑ρk.
当 τint>0 时,相应渐近有效样本量写为
neff=τintn.
负相关可使 neff>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 neff。
A.11 配对差与 bootstrap
同一实验单位上观察 Xi,Yi,目标差为
δ=E[X−Y].
配对估计量
δ=n1i∑(Xi−Yi)
利用了协方差,因为
Var(X−Y)=Var(X)+Var(Y)−2Cov(X,Y).
非参数 paired bootstrap 以单位 i 为整体有放回重采样,每次同时保留 (Xi,Yi)。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,q,定义
H(p)=−x∑p(x)logp(x),
H(p,q)=−x∑p(x)logq(x),
DKL(p∥q)=x∑p(x)logq(x)p(x).
约定 0log0=0;若某个 p(x)>0 而 q(x)=0,则交叉熵与 KL 为 +∞。直接展开得
H(p,q)=H(p)+DKL(p∥q).
若 q(x)=0 对某个 p(x)>0 成立,非负性由 DKL(p∥q)=+∞ 立即得到。否则令 Sp={x:p(x)>0},在 Sp 上应用 logu≤u−1:
−DKL(p∥q)=x∈Sp∑p(x)logp(x)q(x)≤x∈Sp∑(q(x)−p(x))=q(Sp)−1≤0.
故 DKL(p∥q)≥0。若等号成立,则两步不等式都取等:q(x)=p(x) 对所有 x∈Sp 成立,且 q(Sp)=1,所以 p=q。反过来,若 p=q,则每个 p(x)>0 的求和项都是 p(x)log1=0,而 p(x)=0 的项按约定为 0,故 DKL(p∥q)=0。KL 不对称,也不是距离:一般
DKL(p∥q)=DKL(q∥p).
A.13 推前分布与语义事件
若随机变量 Y 取值于 Y,映射 g:Y→C,则 C=g(Y) 的推前分布为
Pg(C=c)=P(g(Y)=c)=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 g 会改变事件概率。
若 g 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 P、目标分布为 Q,且 Q 对 P 绝对连续。密度比
w=dPdQ
满足对可积函数 h:
EQ[h]=EP[wh].
离散情形只需写 w(x)=Q(x)/P(x),并要求 Q(x)>0 时 P(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
μQ=n1i∑w(Xi)h(Xi)
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) 是观察分布。干预 P(Y∣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。