什么是“扩散概率”(diffuse probability)

扩散先验与非信息先验解析
本文探讨了在CS231n课程中出现的diffuseprobability概念,即diffuseprior,解释其作为Uninformativepriors(非信息先验)在先验概率中的角色。文章深入分析了无差别原则,并从信息论角度,通过最大熵原则阐述了如何确定最优的先验概率分布。

今天在看CS231n的时候看到了一个名词“diffuse probability”, 扩散概率,Google了一下,在英文里直接定位到先验分布,用中文“扩散 概率”查,有少数文献提到“扩散先验”
其实“diffuse probability”就应该是“diffuse prior”,diffuse prior 也称之为 Uninformative priors (非信息先验),是先验概率的一种形式,
关于设置 diffuse prior 的原则有很多(其实也不是很多),但是最古老也是最经典的是“无差别原则”,也就是对所有的可能出现的情况分配一个均等的概率。从信息论(最大熵原则)的观点出发其实也可以证明这点。对于系统来说,如果它揭露出的信息越少那么它的熵就越大。因此如果我们想在X上寻找一组熵最大的分布,这样过的分布是满足约束条件下所包含信息最少的。对于离散的概率分布,我们会为每一种可能的状态分配一个相等的先验概率。对于连续概率分布,当概率密度归一化为均值为零且方差为1时,使熵最大先验就是标准高斯分布。

参考文档:Prior probability

<think>好的,用户现在想了解扩散模型的工作原理,需要解释它的机理。首先,我得回顾一下扩散模型的基本概念和相关知识。根据用户提供的引用,比如引用[2]和引用[4],扩散模型在文本生成中的应用是近年的发展,特别是在2021年后有很多工作出现。扩散模型最初在图像领域应用,比如DDPM和DDIM,后来被迁移到文本生成中。 用户可能对扩散模型的基本过程不太清楚,所以需要从正向和反向过程入手。正向过程是逐步添加噪声,而反向过程是去噪生成数据。需要解释这两个阶段是如何工作的,可能还需要提到马尔可夫链的概念,因为扩散模型通常基于马尔可夫假设。 另外,用户提供的引用中提到了一些技术细节,比如D3PM和SUNDAE,这些是针对离散数据(如文本)的扩散模型变体。传统的扩散模型处理连续数据,但文本是离散的,所以需要特别的方法。可能需要解释如何将扩散模型应用到文本上,比如通过引入离散的扩散步骤或掩码策略,如引用[2]中的Masked-Diffuse LM。 还要考虑用户可能的疑问,比如扩散模型与其他生成模型(如GAN或VAE)的区别。扩散模型通过逐步去噪的方式生成数据,这可能更稳定,但计算成本较高。引用[4]提到PFGM和扩散模型的结合,可能涉及改进采样效率的问题,但用户主要关注原理,这部分可能不需要深入,但可以作为扩展点。 需要确保回答结构清晰,分步骤解释。可能的结构包括:正向扩散、反向生成、训练目标、应用变体(如文本扩散)。同时,结合用户提供的引用,特别是引用[3]提到的确定性建模的不足,扩散模型可能通过概率分布提供多种可能结果,这点可以作为优势提到。 最后,生成相关问题时要覆盖原理、优化、应用场景、与其他模型对比等,参考用户示例中的问题结构。例如,扩散模型的优缺点,数学基础,与其他模型的对比,文本处理中的挑战等。</think>### 扩散模型的工作原理 扩散模型(Diffusion Models)是一种基于概率论的生成模型,其核心思想是通过**逐步添加噪声(正向过程)**和**逐步去噪(反向过程)**实现数据生成。以下是其机理的逐步解释: --- #### 1. **正向扩散过程(Forward Diffusion Process)** - **目标**:将原始数据(如图像或文本向量)逐步破坏,转化为纯噪声。 - **步骤**: 1. 初始数据 $x_0$ 通过 $T$ 步逐步添加高斯噪声,得到 $x_1, x_2, ..., x_T$。 2. 每步噪声强度由预定义的方差表 $\beta_t$ 控制,满足 $0 < \beta_1 < \beta_2 < ... < \beta_T < 1$。 3. 数学表达: $$ q(x_t | x_{t-1}) = \mathcal{N}(x_t; \sqrt{1-\beta_t}x_{t-1}, \beta_t \mathbf{I}) $$ 4. 最终 $x_T$ 服从标准正态分布 $\mathcal{N}(0, \mathbf{I})$[^2]。 --- #### 2. **反向生成过程(Reverse Process)** - **目标**:从噪声 $x_T$ 出发,逐步去噪恢复原始数据。 - **步骤**: 1. 训练一个神经网络(如U-Net)预测每步的噪声 $\epsilon_\theta(x_t, t)$。 2. 通过反向马尔可夫链逐步去噪,生成数据 $x_{t-1}$: $$ p_\theta(x_{t-1} | x_t) = \mathcal{N}(x_{t-1}; \mu_\theta(x_t, t), \Sigma_\theta(x_t, t)) $$ 3. 最终从 $x_0$ 得到生成结果[^4]。 --- #### 3. **训练目标** 扩散模型通过最小化**变分下界(ELBO)**优化参数 $\theta$: $$ \mathcal{L} = \mathbb{E}_{t,x_0,\epsilon} \left[ \|\epsilon - \epsilon_\theta(x_t, t)\|^2 \right] $$ 即让网络预测的噪声 $\epsilon_\theta$ 接近真实添加的噪声 $\epsilon$[^3]。 --- #### 4. **文本扩散的变体** 由于文本是离散符号,传统扩散模型需改进: - **离散扩散**:如D3PM模型,将噪声替换为词汇表上的随机跳转。 - **掩码扩散**:如Masked-Diffuse LM,用掩码替换部分token再预测恢复[^2][^5]。 --- ### 核心特点 - **稳定性**:逐步生成避免了GAN的模式崩溃问题。 - **可控性**:通过调节噪声步长或条件输入控制生成结果。 - **计算代价**:需要多步迭代,推理速度较慢(但可通过DDIM等加速采样)[^4]。 ---
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