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附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO

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Original text in Chinese. This English page translates only the site interface and metadata.

卷一第五章说明后训练流水线。本附录只推导三个数学接口:策略梯度估计量、PPO clipped surrogate,以及 KL 正则化最优策略到 DPO 损失的变换。三者依赖的策略与数据分布不同,不能仅因公式都含 log probability 就混为一个算法。

A.11.1 自回归生成作为有限时域决策过程

对 prompt xx,令状态

st=(x,y<t),s_t=(x,y_{<t}),

动作 at=yta_t=y_t 是下一个 token,策略为

πθ(at∣st).\pi_\theta(a_t\mid s_t).

状态转移在给定 token 后通常是确定的前缀追加,直到 EOS 或长度上限。奖励可以只在终止时给出,也可以包含逐 token KL、格式或过程反馈。以下策略梯度推导假定用于更新时 reward 函数固定,不显式依赖 θ\theta;若 reward 与策略参数共享并参与求导,还会出现额外导数项。

轨迹概率可分解为

pθ(τ)=p(x)∏t=0T−1πθ(at∣st)p(st+1∣st,at).(A.11.1)p_\theta(\tau) =p(x)\prod_{t=0}^{T-1} \pi_\theta(a_t\mid s_t) p(s_{t+1}\mid s_t,a_t). \tag{A.11.1}

只有策略因子依赖 θ\theta。

A.11.2 Likelihood-ratio 策略梯度

令总回报为 R(τ)R(\tau),目标

J(θ)=Eτ∼pθ[R(τ)].J(\theta)=\mathbb E_{\tau\sim p_\theta}[R(\tau)].

在可交换微分与积分且轨迹支持不随参数突变等条件下,

∇θJ(θ)=Eτ∼pθ[R(τ)∇θlog⁡pθ(τ)]=E[R(τ)∑t∇θlog⁡πθ(at∣st)].(A.11.2)\begin{aligned} \nabla_\theta J(\theta) &=\mathbb E_{\tau\sim p_\theta} [R(\tau)\nabla_\theta\log p_\theta(\tau)]\\ &=\mathbb E \left[ R(\tau)\sum_t \nabla_\theta\log\pi_\theta(a_t\mid s_t) \right]. \end{aligned} \tag{A.11.2}

若逐步 reward 为 rtr_t、折扣因子为 γ∈[0,1]\gamma\in[0,1],并且

R(τ)=∑k=0T−1γkrk,R(\tau)=\sum_{k=0}^{T-1}\gamma^kr_k,

定义从 tt 开始、重新以零次幂计数的 return

Gt=∑k=tT−1γk−trk.G_t=\sum_{k=t}^{T-1}\gamma^{k-t}r_k.

由因果性,动作 ata_t 之前的 reward 已由历史决定;它们与该步 score 项相乘后的条件期望为零,故精确的有限时域 likelihood-ratio 梯度为

∇θJ(θ)=E[∑t=0T−1γtGt∇θlog⁡πθ(at∣st)].\nabla_\theta J(\theta) =\mathbb E\left[ \sum_{t=0}^{T-1}\gamma^tG_t \nabla_\theta\log\pi_\theta(a_t\mid s_t) \right].

当 γ=1\gamma=1 时外部因子消失。某些实现改用折扣占用分布采样状态,或直接优化按时间步平均的 surrogate,因而不显式写 γt\gamma^t;那是目标与采样测度的约定,不是从上述轨迹目标中代数消去该因子。

对任意只依赖状态、在 actor 求导时视为 stop-gradient 的 baseline b(st)b(s_t),

Eat∼πθ[b(st)∇θlog⁡πθ(at∣st)]=b(st)∇θ∑aπθ(a∣st)=0.\mathbb E_{a_t\sim\pi_\theta} [b(s_t)\nabla_\theta\log\pi_\theta(a_t\mid s_t)] =b(s_t)\nabla_\theta\sum_a\pi_\theta(a\mid s_t)=0.

故把 GtG_t 替换为 Gt−b(st)G_t-b(s_t) 不改变上述估计量期望,并可能降低方差。常用选择是

Vπ(st)=E[Gt∣st],Aπ(st,at)=Qπ(st,at)−Vπ(st).V^\pi(s_t)=\mathbb E[G_t\mid s_t], \qquad A^\pi(s_t,a_t)=Q^\pi(s_t,a_t)-V^\pi(s_t).

但 value function 不是对所有参数化都严格最小化梯度估计方差的标量 baseline。若记 zt=∇θlog⁡πθ(at∣st)z_t=\nabla_\theta\log\pi_\theta(a_t\mid s_t),条件二阶矩有限且分母非零,则最小化 E[∥zt(Gt−b)∥2∣st]\mathbb E[\|z_t(G_t-b)\|^2\mid s_t] 的值是

b∗(st)=E[Gt∥zt∥2∣st]E[∥zt∥2∣st].b^*(s_t) =\frac{\mathbb E[G_t\|z_t\|^2\mid s_t]} {\mathbb E[\|z_t\|^2\mid s_t]}.

VπV^\pi 是稳定且易估计的标准选择;只有在相应加权不改变条件均值时才与 b∗b^* 相同。

A.11.3 Value critic 与 GAE

令 critic 为 Vϕ(s)V_\phi(s),TD residual 为

δt=rt+γVϕ(st+1)−Vϕ(st),(A.11.3)\delta_t =r_t+\gamma V_\phi(s_{t+1})-V_\phi(s_t), \tag{A.11.3}

终止状态取 Vϕ=0V_\phi=0。Generalized Advantage Estimation 的截断形式为

A^tGAE(γ,λ)=∑l=0T−t−1(γλ)lδt+l,λ∈[0,1].(A.11.4)\widehat A_t^{\mathrm{GAE}(\gamma,\lambda)} =\sum_{l=0}^{T-t-1}(\gamma\lambda)^l\delta_{t+l}, \qquad \lambda\in[0,1]. \tag{A.11.4}

λ\lambda 较小通常更依赖 critic bootstrap、方差较低而偏差可能较大;λ\lambda 接近 11 更接近 Monte Carlo return。这个说法依赖 critic 误差和轨迹长度,不是单调性能定理。对只有终止 reward 的语言模型,早期 token 的 advantage 主要通过回报传播和 critic 基线形成。

A.11.4 PPO clipped surrogate

用冻结的旧策略 πold\pi_{\mathrm{old}} 采样轨迹,取 0<ϵ<10<\epsilon<1,并在这些样本上定义

rt(θ)=πθ(at∣st)πold(at∣st).(A.11.5)r_t(\theta) =\frac{\pi_\theta(a_t\mid s_t)} {\pi_{\mathrm{old}}(a_t\mid s_t)}. \tag{A.11.5}

分母必须在已采样动作上为正。PPO 的 clipped surrogate 是

Lclip(θ)=Et[min⁡(rt(θ)A^t,clip⁡(rt(θ),1−ϵ,1+ϵ)A^t)].(A.11.6)L^{\mathrm{clip}}(\theta) =\mathbb E_t\left[ \min\left( r_t(\theta)\widehat A_t, \operatorname{clip}(r_t(\theta),1-\epsilon,1+\epsilon) \widehat A_t \right) \right]. \tag{A.11.6}

符号分情况解释:

  • 若 A^t>0\widehat A_t>0,增大动作概率有利;当 rt>1+ϵr_t>1+\epsilon 时,第二项把进一步增益截平。
  • 若 A^t<0\widehat A_t<0,减小动作概率有利;当 rt<1−ϵr_t<1-\epsilon 时,第二项把进一步增益截平。

在另外两个方向上,min 不会截平纠错梯度。因此 (A.11.6) 不是硬约束 rt∈[1−ϵ,1+ϵ]r_t\in[1-\epsilon,1+\epsilon],也不保证每次更新后的 KL 小于某阈值。

一种常见联合最大化目标为

Lclip−cvEt[(Vϕ(st)−V^t)2]+cHEt[H(πθ(⋅∣st))],(A.11.7)L^{\mathrm{clip}} -c_v\mathbb E_t[(V_\phi(s_t)-\widehat V_t)^2] +c_H\mathbb E_t[H(\pi_\theta(\cdot\mid s_t))], \tag{A.11.7}

并可另加到参考策略的 KL 控制。实际算法还由 rollout batch、每批 epoch 数、mini-batch 顺序、advantage 标准化、value clipping 和 early stopping 共同定义。PPO 原论文给出实用 surrogate,而不是 TRPO 式严格单调改进保证。

A.11.5 参考策略与旧策略不是同一个对象

πold\pi_{\mathrm{old}} 是产生当前 rollout 的行为策略,用在 (A.11.5) 的重要性比率中;每轮通常更新。

πref\pi_{\mathrm{ref}} 是 RLHF 目标中的正则化锚点,常在一段训练中冻结。分布级目标写作

J(π)=Ex∼D[Ey∼π(⋅∣x)r(x,y)−βDKL(π(⋅∣x)∥πref(⋅∣x))].(A.11.8)J(\pi) =\mathbb E_{x\sim\mathcal D} \left[ \mathbb E_{y\sim\pi(\cdot\mid x)}r(x,y) -\beta D_{\mathrm{KL}} (\pi(\cdot\mid x)\|\pi_{\mathrm{ref}}(\cdot\mid x)) \right]. \tag{A.11.8}

二者有时初始化为同一 checkpoint,但承担的数学角色不同。

A.11.6 KL 正则化最优策略

固定 xx,记 qy=πref(y∣x)q_y=\pi_{\mathrm{ref}}(y\mid x)。假设输出空间有限或求和绝对收敛,reward 有限,并只在 qy>0q_y>0 的支持上优化。考虑

max⁡π∈Δ∑yπyry−β∑yπylog⁡πyqy,β>0.(A.11.9)\max_{\pi\in\Delta} \sum_y\pi_yr_y -\beta\sum_y\pi_y\log\frac{\pi_y}{q_y}, \qquad \beta>0. \tag{A.11.9}

目标对支持内部的 π\pi 严格凹。加入约束 ∑yπy=1\sum_y\pi_y=1 的乘子 λ\lambda,驻点满足

ry−β(log⁡πyqy+1)+λ=0.r_y-\beta\left(\log\frac{\pi_y}{q_y}+1\right)+\lambda=0.

整理并归一化得到唯一最优解

π∗(y∣x)=1Z(x)πref(y∣x)exp⁡(r(x,y)β)(A.11.10)\boxed{ \pi^*(y\mid x) =\frac{1}{Z(x)} \pi_{\mathrm{ref}}(y\mid x) \exp\left(\frac{r(x,y)}{\beta}\right)} \tag{A.11.10} Z(x)=∑yπref(y∣x)er(x,y)/β.Z(x)=\sum_y\pi_{\mathrm{ref}}(y\mid x)e^{r(x,y)/\beta}.

若参考策略对某输出概率为零,任何给它正概率的策略都有无限 forward KL;(A.11.10) 不会创造参考支持之外的概率质量。

A.11.7 从 Bradley—Terry 到 DPO

假设同一 prompt 下的偏好概率满足 Bradley—Terry 模型

P(y+≻y−∣x)=σ(r(x,y+)−r(x,y−)).(A.11.11)P(y^+\succ y^-\mid x) =\sigma(r(x,y^+)-r(x,y^-)). \tag{A.11.11}

由 (A.11.10) 反解

r(x,y)=βlog⁡π∗(y∣x)πref(y∣x)+βlog⁡Z(x).r(x,y) =\beta\log\frac{\pi^*(y\mid x)} {\pi_{\mathrm{ref}}(y\mid x)} +\beta\log Z(x).

同一 xx 的 log⁡Z(x)\log Z(x) 在 reward 差中抵消。用待训练策略 πθ\pi_\theta 参数化 π∗\pi^*,定义

Δθ=β[log⁡πθ(y+∣x)πref(y+∣x)−log⁡πθ(y−∣x)πref(y−∣x)].(A.11.12)\Delta_\theta =\beta\left[ \log\frac{\pi_\theta(y^+\mid x)} {\pi_{\mathrm{ref}}(y^+\mid x)} - \log\frac{\pi_\theta(y^-\mid x)} {\pi_{\mathrm{ref}}(y^-\mid x)} \right]. \tag{A.11.12}

假设观测偏好对上的 πθ\pi_\theta 与 πref\pi_{\mathrm{ref}} 序列概率均为正。对偏好对的负对数似然就是

LDPO(θ)=−E(x,y+,y−)[log⁡σ(Δθ)].(A.11.13)\boxed{ L_{\mathrm{DPO}}(\theta) =-\mathbb E_{(x,y^+,y^-)} [\log\sigma(\Delta_\theta)].} \tag{A.11.13}

自回归序列概率必须包含全部被建模 token:

log⁡πθ(y∣x)=∑t=1∣y∣log⁡πθ(yt∣x,y<t).(A.11.14)\log\pi_\theta(y\mid x) =\sum_{t=1}^{|y|} \log\pi_\theta(y_t\mid x,y_{<t}). \tag{A.11.14}

因此 EOS、截断和长度进入标准 DPO 目标。擅自改为 token 平均会定义不同的隐式 reward。DPO 的推导依赖 (A.11.8) 的 forward-KL 目标、Bradley—Terry 偏好模型和参考支持;它不等价于任意 reward、任意偏好噪声或任意 PPO-RLHF 实现。离线偏好数据若不能覆盖训练后策略常见输出,分类损失也不会自动修复这一分布缺口。

A.11.8 来源

Book contents
Book contents
  1. Introduction
  2. 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
  3. Volume I: Models, Training, and Systems
  4. 02Volume I: Models, Training, and Systems
  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. Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
  19. 16Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
  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. Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
  29. 25Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
  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. Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
  40. 35Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
  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. Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
  55. 49Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
  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. Proofs and Technical Appendices
  67. 60Proofs and Technical Appendices
  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
    1. A.11.1 自回归生成作为有限时域决策过程
    2. A.11.2 Likelihood-ratio 策略梯度
    3. A.11.3 Value critic 与 GAE
    4. A.11.4 PPO clipped surrogate
    5. A.11.5 参考策略与旧策略不是同一个对象
    6. A.11.6 KL 正则化最优策略
    7. A.11.7 从 Bradley—Terry 到 DPO
    8. A.11.8 来源
  80. 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界