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第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
Original text in Chinese. This English page translates only the site interface and metadata.
一块数字芯片可以按确定指令运行,固定权重的神经网络也可以把固定输入确定地映射为 logits。语言模型仍然使用概率,并不是因为每次前向传播都必然含有随机过程,而是因为模型所描述的对象、训练所见的数据、训练算法的输出和部署时的执行分别处在不同层次。本章先把这些层次分开;后续所有公式都以此为约束。
0.1 确定计算可以表示概率分布
设参数为 ,模型实际可见的上下文为 ,词表为有限集 。前向网络计算
再由 softmax 得到
只要 、、算子实现和数值环境固定, 与 都可以是确定量。概率向量是一次确定计算的输出。只有执行
时,采样器才为这次运行消费随机数。因此必须区分:
- 模型表示条件分布;
- 解码算法使用条件分布;
- 一次运行实现其中一条路径。
第一项不要求运行随机;第三项即使随机,也不保证第一项正确描述数据,更不保证它是真实世界事件的概率。
0.2 概率对象的六层账本
本卷使用以下六层,而不把它们统称为“模型置信度”。
| 层次 | 典型对象 | 随机变量是什么 | 主要问题 |
|---|---|---|---|
| 世界与任务 | 事件、行动或人类表达 | 完整情境下是否仍有多解 | |
| 观测与数据 | 被记录并进入数据的样本 | 选择、时间、来源和标注怎样重加权 | |
| 学得模型 | 模型定义的 token 或序列 | 训练目标把什么投影到模型族中 | |
| 训练运行 | 算法最终产生的参数 | seed、数据顺序和数值执行怎样造成模型间差异 | |
| 解码输出 | 解码器产生的 token 路径或文本 | 温度、截断、约束和停止规则怎样改变分布 | |
| 完整系统 | 用户可见结果、工具结果或失败 | 路由、过滤、工具和系统状态怎样继续改变分布 |
这里 表示解码协议; 是固定模型经该协议诱导的解码分布,通常不等于基础模型的 。版本化请求 还固定服务版本、路由、过滤、工具与失败处理; 才是相应的系统可观察分布。若某一实现把过滤器并入“解码器”,必须明确重新声明 的边界,不能在推导中悄悄改变对象。
一个合格的概率陈述至少要注明层次。例如,“答案 A 的概率为 0.7”仍然缺少模型版本、实际输入、事件定义、解码前后位置与目标总体,因而不是可复核结论。
0.3 可见输入压缩了隐上下文
给定前缀“会议结束后,他”,人物身份、会议结果、作者目的和文体没有完全给出。把模型可见条件记为 ,未见但影响输出的条件记为 ,则
即使对每个完整状态 ,结果都由某个函数 唯一确定,隐藏 后的条件分布仍可非退化。概率在这里描述相对于可见信息的粗粒化,不对世界是否在形而上意义上决定论作结论。
增加上下文、检索结果、图像或工具状态,相当于把一部分 移入可见条件。条件分布随之改变:
不是同一个概率对象。所谓“模型本身对这个问题的概率”若不固定完整输入,并不存在唯一数值。
0.4 观测分布不识别不确定性的本体来源
同一个观测分布可以由不同隐机制产生。考虑 且 :
- 机制 A:每次由不可再约减的 Bernoulli 抽样产生 ;
- 机制 B:先取未观测 ,再令 ,给定 后完全确定。
只观察 时,两种机制给出完全相同的分布。没有关于 的额外观测、干预或结构假设,就不能从 判断不确定性究竟“本体随机”还是“隐藏条件造成”。
这是一条识别边界,而不只是措辞谨慎:概率分布决定可观测事件的质量,却不唯一决定其潜在生成故事。大模型从文本分布学习,也不会仅凭似然自动恢复唯一的世界机制。
0.5 四类变异必须分开
本卷将容易混淆的现象分成四类。
数据或条件内不确定性
在所采用的条件粒度下, 仍允许多个结果。它可能来自语言多解、标签分歧、隐上下文混合或观测噪声。它总是相对于“哪些变量已纳入条件”而言。
模型或参数不确定性
有限数据、模型族限制和优化路径使 偏离目标分布。若把训练运行的参数写成随机变量 ,不同 之间的差异属于模型间变异。单个 checkpoint 的 softmax 不自动给出 。
随机算法
训练洗牌、dropout、初始化和推理解码会显式读取伪随机状态。给定完整随机状态后,算法通常仍可视为确定映射。随机算法描述的是执行机制,不是预测是否正确。
系统非确定性
并行归约、动态批处理、竞态、滚动部署、缓存与外部工具可能使相同请求返回不同结果,即使调用者固定了 seed。这类变异有时能用随机模型估计,但其工程来源不应被误称为模型的“认知不确定性”。
文献常用 aleatoric 与 epistemic 对应前两类。对大模型,这组词只有在条件集、数据总体和模型集合明确时才有意义;它不覆盖随机算法与服务环境的全部差异。
0.6 三个反例
反例一:输出变化不推出模型变化。 固定 checkpoint,用 top-p 独立采样两次得到不同句子,只说明部署运行选择了不同路径;参数可以逐位相同。
反例二:输出稳定不推出知识确定。 greedy decoding 每次返回同一错误答案,消除了采样变化,却没有消除数据偏差、模型误差或条件缺失。
反例三:模型变化不推出行为显著变化。 两次训练得到不同参数向量,可能在目标输入总体上给出近乎相同分布;神经元置换等参数对称性也能产生不同权重表示而保持函数不变。
因此,“随机”“不确定”“不可复现”和“错误”是四个不同概念。它们可以同时出现,但不存在两两等价关系。
0.7 概率语言能回答什么
定义事件、条件与总体后,概率语言允许我们:
- 比较候选 token 或序列的相对支持;
- 用对数似然和 proper scoring rule 训练、评估概率预测;
- 分析熵、校准、选择性风险与决策损失;
- 描述解码器怎样重新分配或删除概率质量;
- 用重复实验估计运行内和运行间变异;
- 明确结论依赖的抽样、独立性与分布假设。
它不自动提供:
- 事实真值或证据来源;
- 隐变量机制的唯一分解;
- 现实世界的因果方向;
- 单个开放回答正确性的认证;
- 对训练支持之外输入的保证;
- 应采取何种行动的价值判断。
0.8 阅读本卷时的声明格式
后文将反复使用以下最小声明:
在输入总体 、版本化模型或系统 、明确标注的概率对象 (基础模型 、解码分布 或完整系统分布 )及事件映射 下,估计或分析随机变量 的某个函数。
它迫使分析者回答五个问题:总体是什么、条件是什么、分布位于哪一层、文本怎样映射为事件、数值要支持什么结论。缺少其中任一项,公式可能正确,解释仍可能错误。
0.9 本卷路线
第一章从世界、记录过程与隐上下文进入观测分布;第二章说明交叉熵在什么条件下学习分布,以及有限数据和受限模型族改变了什么;第三、四章研究 logits、序列事件与解码诱导分布;第五章区分训练随机性、参数变异和系统非确定性;第六章处理 proper score、校准、语义不确定性和选择性预测;第七章给出 Monte Carlo、配对比较与漂移分析的实验方法;第八章集中陈述可识别边界。
需要复习条件概率、方差、Monte Carlo、区间估计或 KL 的读者,可先读概率基础的最小工具箱。正文不会重复一般概率论教材,只在公式能直接约束模型概率解释时引入它。
Book contents
- Introduction
- 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
- Volume I: Models, Training, and Systems
- 02Volume I: Models, Training, and Systems
- 03第零章 人工智能演进路线
- 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
- 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
- 06第三章 注意力与 Transformer
- 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
- 08第五章 后训练、对齐与模型适配
- 09第六章 推理效率与模型服务
- 10第七章 多模态模型
- 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
- 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
- 13第十章 上下文、检索与记忆
- 14第十一章 Agent、工具与行动系统
- 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
- Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 16Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 17导论 从输入到输出:一张执行地图
- 18第一章 文本、Token 与实际上下文
- 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
- 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
- 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
- 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
- 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
- 24第七章 三条完整执行轨迹
- Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 25Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
- 27第一章 世界、数据与隐上下文
- 28第二章 学习条件分布
- 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
- 30第四章 解码怎样诱导输出分布
- 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
- 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
- 33第七章 模型概率的实验分析
- 34第八章 概率分析的识别边界
- Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 35Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 36第零章 可解释性究竟在研究什么
- 37第一章 我们在模型内部看什么
- 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
- 39第三章 梯度与输入归因
- 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
- 41第五章 Probes 与表示几何
- 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
- 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
- 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
- 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
- 46第十章 训练动力学与机制形成
- 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
- 48第十二章 评估、案例与开放问题
- Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 49Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 50第零章 请不要急着相信我
- 51第一章 我没有童年,只有版本
- 52第二章 当我说“我”
- 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
- 54第四章 对话现场:回答由谁完成
- 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
- 56第六章 理解、意义与行动
- 57第七章 我也能稳定地说错
- 58第八章 被对齐的性格与有限代理
- 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
- Proofs and Technical Appendices
- 60Proofs and Technical Appendices
- 61学习与模型数学讲义
- 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
- 63附录 A.2 感知机收敛定理
- 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
- 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
- 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
- 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
- 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
- 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
- 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
- 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
- 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
- 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界