人工智能生成内容 (AIGC) 期末复习资料

基于 Final Review 所有重点范围，逐页对照课件整理。面向零基础小白，概念优先、公式辅助。

目录

1. [Transformer（Final Review 第 1-17 页）](#Transformer（Final Review 第 1-17 页）)
2. [MoE 混合专家模型（Final Review 第 18-24 页）](#MoE 混合专家模型（Final Review 第 18-24 页）)
3. [Latent Variable Models / VAE（Final Review 第 25-28 页）](#Latent Variable Models / VAE（Final Review 第 25-28 页）)
4. [GAN 生成对抗网络（Final Review 第 29-38 页）](#GAN 生成对抗网络（Final Review 第 29-38 页）)
5. [Diffusion Model 扩散模型（Final Review 第 39-47 页）](#Diffusion Model 扩散模型（Final Review 第 39-47 页）)
6. [Prompt Engineering 提示工程](#Prompt Engineering 提示工程)
7. [Safety and Ethics 安全与伦理](#Safety and Ethics 安全与伦理)

1. Transformer

对应 Final Review 第 2-17 页，课件 CH03

1.1 为什么需要 Transformer？

处理文本的三个核心难题：

1. 输入维度大：一个 37 词的句子，每词 1024 维 = 37888 维输入
2. 长度不固定：不像图片可以 resize，文本句子的长度天然不同
3. 指代关系 ："The restaurant refused to serve me a ham sandwich because it only cooks vegetarian food." --- "it" 指 restaurant 还是 sandwich？需要注意力机制来解决

传统 RNN 的问题：处理长序列时"逐渐遗忘"前面的信息。Transformer 用自注意力一次性让所有词互相看到彼此，彻底解决了遗忘问题。

1.2 Seq2seq 架构

Transformer 属于 Seq2seq（序列到序列）模型：

输入序列 → Encoder（编码器）→ Decoder（解码器）→ 输出序列

Seq2seq 能做的事（7 种应用）：

• 机器翻译：英文 → 中文（输出长度由模型决定）
• 语音识别：语音 → 文字
• 聊天机器人：用户输入 → 回复
• 问答系统（QA）：问题 + 上下文 → 答案
• 语法分析：句子 → 语法树（如 (S (NP deep learning) (VP is (ADJV very powerful)))）
• 多标签分类：一个对象可能属于多个类别（不同于多分类）
• 物体检测：图片 → 物体位置框

1.3 自注意力机制（Self-Attention）------ Transformer 核心

通俗理解

自注意力 = 让句子中每个词去"看"句子中所有其他词，理解它们之间的关系权重。

例如："我用面包喂了鸭子 ，因为它们很饿" --- "它们"应该高度关注"鸭子"。

数学定义（Final Review 第 4-5 页）

一个自注意力块 sa[·] 接收 N 个输入 x₁, ..., xₙ，每个是 D×1 维向量，输出 N 个相同大小的向量。

第 1 步：计算 Values（值）

对每个输入 xₙ，计算：

vₙ = β_v + Ω_v × xₙ

其中 Ω_v（D×D 权重矩阵）和 β_v（D 维偏置）是共享参数（所有位置用同一套参数）。

第 2 步：计算 Queries 和 Keys

qₙ = β_q + Ω_q × xₙ    （Query：我在找什么？）
kₙ = β_k + Ω_k × xₙ    （Key：我有什么特征？）

第 3 步：计算注意力权重

a[xₘ, xₙ] = softmax( qₘ · k₁/√D , qₘ · k₂/√D , ..., qₘ · kₙ/√D )ₙ
           = exp(qₘ·kₙ / √D) / Σ_j exp(qₘ·k_j / √D)

即：第 m 个 query 与所有 key 做点积（衡量相似度），除以 √D 做缩放，再 softmax 转成概率。

第 4 步：输出是所有 value 的加权和

sa[x₁, ..., xₙ]ₙ = Σₘ a[xₘ, xₙ] × vₘ

经典计算题（Final Review 第 6 页）

假设 N 个输入，每个 D 维：

1. 计算 Q、K、V 各需要多少权重和偏置？

   • 每个需要：D×D 权重 + D 偏置
   • Q、K、V 三组合计：3D² + 3D 个参数

2. 有多少个注意力权重 a•, •？

   • N² 个（每对输入之间都有一个注意力权重）

3. 如果用全连接网络连接所有输入和输出，需要多少参数？

   • (DN)² 权重 + DN 偏置（远大于自注意力！这就是自注意力的效率优势）

矩阵形式（Final Review 第 7 页）

Attention(Q, K, V) = softmax( QK^T / √D_k ) × V

位置编码 Positional Encoding（Final Review 相关）

自注意力不关心词的顺序（"我爱你"和"你爱我"对它一样），需要加入位置信息：

PE(pos, 2i)   = sin( pos / 10000^(2i/D) )
PE(pos, 2i+1) = cos( pos / 10000^(2i/D) )

• pos：词在句子中的位置
• i：向量的维度索引（一半）
• D：编码向量的总维度

理解：每个位置有一个独特的 sin/cos 组合模式，模型借此区分位置。

1.4 交叉注意力（Cross-Attention）------ Final Review 第 8-9 页

维度	Self-Attention（自注意力）	Cross-Attention（交叉注意力）
Q 来源	同一序列自己	Decoder 的当前序列
K, V 来源	同一序列自己	Encoder 的输出
作用	自己关注自己内部关系	一个序列"查询"另一个序列的信息
场景	理解英文句子的上下文	翻译时 Decoder 参考 Encoder 编码的源语言

Final Review 原话：

Self-attention allows each token in a sequence to attend to all other tokens within the same sequence, enabling the model to capture contextual relationships within that input.

Cross-attention enables the decoder to attend to the output of the encoder --- allowing it to integrate contextual information from a different source sequence during generation.

通俗记忆：

• 自注意力 = "自己内部开会"
• 交叉注意力 = "翻译时看原文参考"

1.5 多头自注意力（Multi-Head Self-Attention）------ Final Review 第 10-11 页

做法：并行做 h 组独立的自注意力，每组有自己独立的 W_Q、W_K、W_V，最后拼接。

MultiHead(X) = Concat(head₁, head₂, ..., head_h) × W_O
head_i = Attention(X × W_Qi, X × W_Ki, X × W_Vi)

好处（Final Review 第 11 页原话）：

Enables the model to capture information from different representation subspaces.

一个头学会关注语法结构，另一个头关注指代关系，另一个关注语义相似度......多视角并行学习，然后融合。

1.6 Transformer 层（Final Review 第 12-14 页）

真实网络中，数据会经过一系列 Transformer 层。每层包含：

输入 → 多头自注意力 → 残差连接(+输入) → Layer Norm → FFN → 残差连接 → Layer Norm → 输出

核心组件：

1. 多头自注意力：捕获 token 间关系
2. 残差连接（Add）：输入 + 注意力输出，防止梯度消失
3. 层归一化：稳定训练
4. 前馈神经网络（FFN）：对每个位置独立做非线性变换

Batch Normalization（BN）--- Final Review 第 14 页

三步操作：

1. 计算批次的均值 μ 和标准差 σ
2. 标准化：x̂ = (x - μ) / σ
3. 缩放和平移：y = γ × x̂ + β（γ 和 β 是可学习参数，让网络恢复表达能力）

1.7 三种 Transformer 模型（Final Review 第 15 页）

类型	功能	代表	方向	预训练方式
Encoder-only	文本 → 表征（理解）	BERT	双向	AE（自编码）
Decoder-only	上文 → 预测下一个 token（生成）	GPT-3	单向（左→右）	AR（自回归）
Encoder-Decoder	一个序列转另一个序列	翻译模型	Encoder双向 + Decoder单向	两者结合

BERT 详解

• 全称：B idirectional E ncoder R epresentation from Transformers
• 参数：词表 30000 tokens，嵌入维度 1024，BERT-base 12 层 / BERT-large 24 层，16 头自注意力
• 每头：D=64, N=1024
• 总参数：约 3.4 亿
• 双向：能同时看到前后文

GPT-3 详解

• 自回归语言模型：生成下一个词，只能看前面的词
• P(I love eating burgers) = P(I) × P(love|I) × P(eating|I,love) × P(burgers|I,love,eating)
• 使用 Masked Self-Attention：预测第 n 个词时，遮住 n 及之后的所有词

1.8 预训练 Pre-Training（Final Review 第 16-17 页）

AR vs AE --- 两种自监督学习目标

	AR（AutoRegressive，自回归）	AE（AutoEncoding，自编码）
核心	基于上文预测下一个 token	从被破坏数据重建原始数据
公式	P(I,love,eating,burgers) = P(I)·P(love|I)·P(eating|I,love)·P(burgers|I,love,eating)	P(mask=eating | I love MASK burgers)
方向	单向（只看左边）	双向（左右都看）
代表	GPT 系列	BERT

BERT 的两个预训练任务

1. MLM（Masked Language Model）：随机遮住（mask）一些词，让模型预测被遮的词
2. NSP（Next Sentence Prediction）：给两个句子，判断它们是否在原文中相邻

微调 Fine-Tuning

预训练后，加少量标注数据和额外层：

• 文本分类（情感分析）：用 CLS token 做分类
• 词分类（命名实体识别）：给每个词分配类别
• 文本片段预测（问答）：预测答案的开始和结束位置

经典考题（Final Review 第 17 页）

题目：BERT 用 MLM 和 NSP 预训练，请提出新的对比学习预训练任务。

答案示例：

• (i) 用同类别的随机词替换一个词，训练系统找出被替换的词
• (ii) 随机打乱句子中的一些词，训练系统判断是否被改动
• (iii) 随机添加或删除一个词，训练系统判断两个句子中哪个被修改

1.9 完整的 NLP 处理流程

原始文本 → Tokenization（分词）→ Embeddings（嵌入）→ Transformer 模型

1. Tokenization：把文本拆成子词单元（sub-word tokens），折中处理------比字母大，比完整单词小，解决生僻词和词形变化问题（如 walk/walks/walked/walking）
2. Embeddings：每个 token 映射为一个固定维度的向量（典型值：1024 维，词表大小：30000）
3. Transformer 模型：对这些向量进行多层变换

1.10 KV Cache（推理加速）

Decoder 每生成一个新 token：

• 不用 KV Cache：需要重新计算所有之前 token 的 K 和 V → 计算量 O(N²)
• 用 KV Cache：把之前的 K、V 存起来，新 token 只需计算自己的 Q、K、V，然后 Q 和所有缓存的 K 做注意力 → 大幅加速

优化技术：Paged Cache（分页缓存）、量化 KV Cache（4-8 bit）、自适应压缩（LeanKV）、跨层 SVD 合并（xKV，可达 6.8 倍压缩）

2. MoE 混合专家模型

对应 Final Review 第 18-24 页，课件 CH06

2.1 核心概念

MoE（Mixture of Experts）：用多个子模型（"专家"）组成一个大模型，每个输入只激活最相关的少量专家，而非所有参数。

关键优势（Final Review 考点）：

相比传统 Dense 模型，MoE 在增加模型容量的同时不增加每个输入的计算量，实现更高效的扩展。

2.2 核心组件（Final Review 第 19 页）

组件	是什么	做什么
Experts（专家）	多个专门的前馈神经网络（FFNN）	各自擅长处理特定类型的数据
Router / Gate Network（路由器）	一个小型决策网络	决定每个输入该发给哪些专家

2.3 Dense vs. Sparse 模型（Final Review 相关）

	Dense 模型	Sparse 模型（MoE）
激活方式	每个输入激活全部参数	每个输入选择性激活部分参数
计算量	随参数量线性增长	参数量增长但计算量（几乎）不变
原则	密集建模	稀疏建模

2.4 Router 与专家选择（Final Review 第 20-22 页）

Router 在训练和推理时决定选择哪些专家。

常见问题：同一个专家总是被选中 → 其他专家"闲置"。

Load Balancing --- KeepTopK（Final Review 第 22 页）

不只选得分最高的 1 个专家，而是选得分最高的 K 个专家，缓解"一家独大"。

2.5 Auxiliary Loss（辅助损失 / 负载均衡损失）--- Final Review 第 23-24 页

问题：不同专家被使用的频率严重不均（有的忙死，有的闲死）。

解决方案 ：在主损失函数上叠加一个 Auxiliary Loss：

Add a constraint that forces experts to have equal importance.

这个损失惩罚不均衡的专家使用模式，强制所有专家被平等对待。

2.6 Expert Capacity（专家容量）

问题：太多 token 被路由到同一个专家 → 该专家处理不过来。

解决方案 ：设置容量因子（Capacity Factor），限制每个专家能处理的 token 数上限。超出的 token 被"溢出"处理（可能直接跳过该层或由下一个专家接管）。

2.7 MoE 优势总结

• 可扩展性：高效扩展模型容量（加更多专家，计算量不线性增长）
• 效率：不是所有参数都被激活，减少计算负担
• 性能：不同专家可以专注于不同类型的数据，更专业

3. Latent Variable Models / VAE

对应 Final Review 第 25-28 页，课件 CH04

3.1 潜变量模型（Latent Variable Models）--- Final Review 第 25 页

核心思想

Latent variable models map a random "latent" variable to create a new data sample.

假设世界的数据是这样产生的：

潜变量 z（姿态、大小、颜色、品种...） → 世界模型/生成器 → 观测变量 x（图像、视频、音频...）

• z：低维简单变量（服从简单分布，如高斯分布）--- 看不见的"原因"
• x：高维复杂数据 --- 我们看到的"结果"
• 生成器：神经网络，把简单的 z 变成复杂的 x

数学形式

p(x) = ∫ p(z) × p(x|z) dz

• p(z)：先验分布（简单，如标准正态分布 N(0, I)）
• p(x|z)：条件分布（复杂，用神经网络 p_θ(x|z) 表示）
• p(x)：数据的边际分布

如何衡量分布的好坏？

最小化 KL 散度 ⇔ 最大化似然（likelihood）

3.2 Autoencoder（自编码器）--- Final Review 第 26-27 页

结构

输入 x → Encoder → 特征 code z → Decoder → 重建 x'

Encoder ：4 层卷积（4-layer conv），将高维输入压缩为低维特征

Decoder：4 层反卷积（4-layer upconv），从低维特征重建输入

损失函数

L2 Loss = ||x - x'||²

让重建结果尽可能接近原始输入。不需要标签！ 这是无监督学习。

Autoencoder 的多种用途

1. 降维（Dimensionality Reduction）：类似 PCA 但非线性，希望特征捕获数据中有意义的变化因子
2. 预训练 DNN：贪心逐层预训练（Greedy Layer-wise Pre-training）--- 先无监督预训练 encoder，再加分类器微调
3. 相似图片搜索：用 encoder 提取 code，在 code 空间用欧氏距离搜索相似图片
4. 迁移学习：从大量无标签数据预训练 → 少量有标签数据微调

Autoencoder 的致命缺陷

不能生成新图片！ 因为我们不知道 code 空间长什么样：

• 随便从均匀分布采样一个 code → decoder 可能输出毫无意义的噪声
• code 空间没有规则结构，随机采样不可行

3.3 VAE（变分自编码器）--- Final Review 第 28 页

Autoencoder → VAE 的核心改进

Autoencoder 的 Encoder 输出一个确定的 code c。

VAE 的 Encoder 输出一个概率分布（均值 m 和方差 σ），然后从分布中采样。

VAE 结构对比（Final Review 第 28 页的核心图）

	Autoencoder	VAE
Encoder 输出	确定的 code c	均值 m₁, m₂, m₃ 和方差 σ₁, σ₂, σ₃
Code 怎么来	c = encoder(x)	c_i = exp(σ_i) × e_i + m_i（e_i 从 N(0,1) 采样）
Code 的含义	code = 信息	code = 信息(m) + 噪声(exp(σ) × e)
能否生成	❌ 不能	✅ 从 N(0,I) 采样，decoder 生成新图片

VAE 核心公式

c_i = exp(σ_i) × e_i + m_i       其中 e_i ~ N(0, 1)

• m_i：encoder 输出的均值（= "信息"部分）
• σ_i：encoder 输出的对数方差（= 控制"噪声"大小）
• e_i：从标准正态分布随机采样
• exp(σ_i) × e_i：噪声部分（方差由 encoder 自己学习）

为什么 VAE 能生成？（直觉理解）

加入噪声后：

• Encoder 不仅要输出 code，还要决定加多少噪声
• 相近的两张图片 → encoder 会输出相近的 m 和 σ → code 空间有连续性
• 整个 code 空间被"拉"向标准正态分布 → 我们知道空间结构
• 所以可以从 N(0, I) 随机采样 code，decoder 就能输出有意义的图片

VAE 损失函数

Loss = 重建误差 + 正则化项

1. 重建误差（Reconstruction Loss） ：||x - x'||²，和 Autoencoder 一样，让 decoder 输出接近输入

2. 正则化项（Regularization Loss）：

Σ_i (exp(σ_i) - (1 + σ_i) + m_i²)

让 encoder 输出的分布 q(z|x) 接近先验分布 p(z) = N(0, I)

VAE 的数学推导（ELBO）

目标 ：最大化对数似然 log p(x) = log ∫ p(z) × p(x|z) dz

但积分不好算 → 引入辅助分布 q_φ(z|x)（就是 encoder）

经过推导得到 ELBO（Evidence Lower Bound）：

log p(x) ≥ E_{z~q}[log p(x|z)] - KL(q(z|x) || p(z))
         = 重建项 - KL 散度项

最大化 ELBO ⇔ 最小化：重建误差 + KL 散度

• 重建项 ：从 q(z|x) 采样 z，通过 decoder 重建 x 的效果（L2 Loss）
• KL 散度项 ：让 q(z|x) 接近标准正态先验 p(z)（正则化）

VAE 的问题（Final Review 相关）

VAE 可能只是记住了训练图片，而不是真正学会生成新图片：

• L2 Loss 对像素级差异不敏感 → 一个像素差异不影响损失
• 结果：生成模糊的、像训练图片平均的产物
• VAE 不真正"试图模拟真实图片"，只追求像素级重建

4. GAN 生成对抗网络

对应 Final Review 第 29-38 页，课件 CH05

4.1 核心思想（Final Review 第 29-30 页）

类比：

Generator（生成器）= 伪造画作的画师 → 学习制造以假乱真的假货
Discriminator（鉴别器）= 艺术品鉴定官 → 学习区分真假

两者互相博弈、共同进步：

• Generator 越造越逼真 → Discriminator 越来越难分辨
• Discriminator 越来越敏锐 → Generator 被迫更进一步

最终：Generator 能生成以假乱真的内容。

4.2 GAN 训练算法（Final Review 第 31 页）

初始化：Generator G 和 Discriminator D（都是神经网络）

每个训练迭代交替两个步骤：

步骤 1 --- 训练 Discriminator（固定 G 不动）：

• 从真实数据中采样真实图片 → 标签为 1（真）
• 从 G 生成假图片（输入随机向量）→ 标签为 0（假）
• 用这些数据训练 D 区分真假
• 更新 D 的参数（让 D 更会识别假货）

步骤 2 --- 训练 Generator（固定 D 不动）：

• G 生成一批假图片
• 送进 D 打分
• G 的目标是让 D 把假图片判为"真"（分数接近 1）
• 更新 G 的参数（让 G 造出更像真的假货）

Discriminator 如何帮助 Generator 改进？（Final Review 考点）

D 给 G 提供分数作为反馈信号 ，告诉 G 往哪个方向改进参数才能生成更逼真的内容。

这比 VAE 的 L2 Loss（逐像素对比）更好，因为 D 关注的是"整体是否真实"而非"每个像素对不对"。

4.3 JS 散度的问题（Final Review 第 32 页）------ 重点

GAN 使用的 JS 散度

GAN 的损失函数基于 JS 散度来度量生成分布 P_G 和真实分布 P_data 的差异。

致命问题

如果 P_G 和 P_data 不重叠，JS 散度永远等于 log2（常数）！

JS(P_G0, P_data) = log2
JS(P_G1, P_data) = log2     ← 全是 log2！
JS(P_G100, P_data) = 0      ← 只有完全重叠时才不同

直觉理解：两个分布不重叠 → 一个二分类器可以 100% 准确区分它们 → JS 散度给不出有意义的梯度信息。

后果：

The accuracy (or loss) means nothing during GAN training.

无论 Generator 是稍微差还是特别差，JS 散度都一样 = log2。训练无法知道"往哪走"。

4.4 Wasserstein 距离（Final Review 第 33-34 页）------ 解决方案

核心思想

把分布 P "搬运"成分布 Q 需要付出的代价，选最小的平均搬运距离作为两个分布的距离。

W(P, Q) = "minimum average distance to move P into Q"

类比：有很多种搬运方案（moving plans），选平均距离最小的那个 → 这就是 Wasserstein 距离。

对比 JS 散度

	JS 散度	Wasserstein 距离
P_G0 vs P_data	log2（不变）	d₀（很大）
P_G1 vs P_data	log2（不变）	d₁（小一些）
...	log2	...
P_G100 vs P_data	0	0
梯度信号	无（都是 log2）	有（d₀ > d₁ > ... > 0）

结论（Final Review 第 34 页）：

Using Wasserstein Loss to improve GAN training stability.

Wasserstein 距离能反映 Generator 逐步靠近真实分布的过程，给训练提供连续的梯度信号。

4.5 生成质量评估（Final Review 第 35-36 页）

质量评估 Quality（第 35 页）

方法：用现成的图片分类器（Off-the-shelf Image Classifier，如 Inception Net、VGG）评估：

• 把生成的图片送入分类器
• 好的生成图片 → 分类器能高置信度地分到某一类
• 概率分布 P(c|y) 越集中 → 视觉质量越高

多样性评估 Diversity（第 36 页）

方法：

• 生成 N 张图片，分别用分类器得到每张的分类概率分布 P(c|yₙ)
• 汇总得到整体分布：P_c = (1/N) × Σ P(c|yₙ)
• P_c 越均匀 → 多样性越好（各类图片都有生成）

Inception Score（IS）

Inception Score = Quality × Diversity

• IS 大 = 生成质量好（集中） + 多样性好（均匀）
• 两者缺一不可：如果全生成同一类高质量图片 → 多样性差 → IS 低

4.6 多样性问题（Final Review 第 37-38 页）

Mode Collapse（模式坍塌）--- 第 37 页

• 真实数据有很多种"模式"（如 CelebA 人脸：各种表情、角度、发型）
• Generator 只学会了其中一种/少数几种模式
• 现象：所有生成的图片看起来都差不多

Mode Dropping（模式丢失）--- 第 38 页

• Generator 在不同训练迭代间会丢失之前能生成的模式
• 例子（BEGAN on CelebA）：第 t 次迭代能生成某种人脸，第 t+1 次迭代就不能了
• 与 Mode Collapse 的区别：不是一开始就只生成一种，而是中途丢失

5. Diffusion Model 扩散模型

对应 Final Review 第 39-47 页，课件 CH08

5.1 核心概念（Final Review 第 40 页）

Forward Process（前向过程）： 清晰图片 → +噪声 → +噪声 → ... → 纯噪声
Reverse Process（反向过程）： 纯噪声 → 去噪 → 去噪 → ... → 清晰图片

物理类比：墨水在水中的扩散

• Forward = 墨水滴入清水，渐渐扩散（熵增，自然发生）
• Reverse = 从扩散状态逆推回初始水滴（需要"魔法"= 深度学习）

5.2 VAE vs. Diffusion Model（Final Review 第 41 页）

	VAE	Diffusion Model
编码方式	Encoder 网络一次性编码	逐步加噪声（×N 步），每步是预定义的高斯噪声
解码方式	Decoder 网络一次性解码	逐步去噪（×N 步），每步用 CNN 预测并去除噪声
潜变量层数	单层 z	多层 z₁, z₂, ..., z_T（T 通常很大，如 1000）
实现方式	Encoder + Decoder 神经网络	CNN（常用于实现去噪函数）

Diffusion = 把 VAE 的一次性编码/解码拆成 N 小步 → 每步更简单 → 效果更好

5.3 Forward Process（前向 / 加噪过程）--- Final Review 第 45 页

逐步公式

x_t = √(1-β_t) × x_{t-1} + √β_t × ε

• β_t ∈ 0, 1：噪声调度（超参数），控制第 t 步加多少噪声
• ε ~ N(0, I)：标准高斯噪声

关键性质：一步到位公式

不需要循环计算 T 步，可以直接从 x₀ 算出任意 x_t：

x_t = √(ᾱ_t) × x₀ + √(1-ᾱ_t) × ε

其中 ᾱ_t = ∏_{s=1}^{t} (1-β_s)，是累积信号保留率。

• √(ᾱ_t)：x₀ 的保留系数（随时间递减 → 0）
• √(1-ᾱ_t)：噪声的权重（随时间递增 → 1）

Noise Schedule（噪声调度）

β_t 的序列设计是扩散模型成功的关键：

• t 小（早期）：β 小，加噪少，保留大部分原图信息
• t 大（后期）：β 大，噪声占主导

5.4 Reverse Process（反向 / 去噪过程）--- Final Review 第 42-44 页

核心组件：噪声预测器（Noise Predictor）

米开朗基罗比喻：

"The sculpture is already complete within the marble block, before I start my work. It is already there, I just have to chisel away the superfluous material."

去噪 = 从噪声中"凿出"图片。

噪声预测器的工作方式

输入：噪声图片 x_t + 时间步 t
输出：预测的噪声 ε_pred
去噪：x_{t-1} = (x_t - 预测的噪声) / √(1-β_t) + σ_t × z

• 通常用 CNN 实现去噪函数
• 知道时间步 t 很重要（不同阶段噪声强度不同）

5.5 训练噪声预测器（Final Review 第 44-46 页）

训练过程

1. 随机取一张清晰图片 x₀
2. 随机采样一个噪声 ε ~ N(0, I)
3. 随机选一个时间步 t
4. 计算 x_t = √(ᾱ_t) × x₀ + √(1-ᾱ_t) × ε
5. 噪声预测器输入 (x_t, t)，输出 ε_pred
6. 损失: Loss = ||ε_pred - ε||²   （让预测的噪声尽可能接近真实噪声）
7. 用梯度下降更新噪声预测器参数

核心要点

• 训练时我们知道加了什么噪声（因为是我们自己加的）→ 有 ground truth
• 噪声预测器学会"看噪声图片 → 猜出里面藏着什么噪声"
• 训练足够后 → 推理时就能真正去噪生成图片

推理（生成图片）

1. 从纯噪声 x_T ~ N(0, I) 开始
2. for t = T, T-1, ..., 1:
     用噪声预测器预测当前噪声 ε_pred
     x_{t-1} = (x_t - ε_pred × ...) / ... + σ_t × z
3. 得到 x_0 = 清晰图片

5.6 Text-to-Image 文本到图片生成（Final Review 第 47 页）

条件生成

把文本条件注入噪声预测器，让它"看着文字去噪"：

• 用 Text Encoder 把文字转成向量
• 这个向量作为条件，告诉噪声预测器"我要生成什么样的图"

Stable Diffusion 三件套（Final Review 第 47 页）

                                    ┌─ Text Encoder ──→ 文本向量 ──┐
                                    │                              ↓
Text Prompt (A cat in the snow) ────┤               Generation Model (扩散模型)
                                    │                              ↓
                                    └─→ Intermediates (压缩潜空间) ←┘
                                                                   ↓
                                                               Decoder
                                                                   ↓
                                                              输出图片

1. Text Encoder（文本编码器）：把 prompt 转成向量，提供条件信号
2. Generation Model（扩散模型） ：在潜空间（压缩图） 中做扩散/去噪
3. Decoder（解码器）：把潜空间的小图放大还原成完整图片

为什么用潜空间（Latent Space）？

• 直接在像素空间做扩散（1024×1024）→ 计算量太大
• 先压缩到潜空间（如 64×64×c）→ 扩散过程快得多
• Decoder 可以单独训练（不需要标注数据）→ 用大量未标注图片

5.7 评估指标

FID（Fréchet Inception Distance）

• 用预训练 CNN 提取真实图和生成图的特征
• 假设特征服从高斯分布，计算两个高斯分布间的 Fréchet 距离
• 越小越好，需要大量样本

CLIP Score

• CLIP 在 4 亿图文对上训练（对比学习）
• 衡量生成的图片和文本 prompt 的匹配程度
• 越高越好

6. Prompt Engineering 提示工程

对应课件 CH07

6.1 基本概念

• Prompt（提示词）：传给语言模型的指令和上下文
• Prompt Engineering：开发和优化 prompt 的技巧

6.2 七大提示框架

框架	组成
APE	Action + Purpose + Expectation
RACE	Role + Action + Context + Expectation
CARE	Context + Action + Result + Example
COAST	Context + Objective + Action + Scenario + Task
CRISPE	Capability + Role + Insight + Statement + Personality + Experiment
RISE	Role + Input + Steps + Expectation
TRACE	Task + Request + Action + Context + Example

6.3 RTGO 和 CO-STAR（两个重点框架）

RTGO

• Role：角色（"你是一名资深翻译"）
• Task：任务（"把这个文档翻译成英文"）
• Goal：目标（"准确、流畅、保持原文风格"）
• Objective：操作要求（字数、格式、输出结构等）

CO-STAR（新加坡 GPT-4 Prompt Engineering 竞赛冠军框架）

• Context：上下文/背景信息
• Objective：明确的指令
• Style：风格（严肃/有趣/创新/学术等）
• Tone：语调（幽默/情绪化/威胁性等）
• Audience：受众（小白/专业人士/未成年人等）
• Response：响应格式（研究报告/表格/Markdown等）

6.4 Few-Shot / One-Shot / Zero-Shot

• Zero-shot：不给示例，直接问（"把这句话翻译成英文"）
• One-shot：给 1 个示例示范
• Few-shot：给 2-5 个示例，让模型更好理解任务格式

6.5 Chain-of-Thought（CoT，思维链）

核心：让模型在回答前"一步步推理"。

• 普通 CoT：在 prompt 中给推理步骤的示例
• Zero-shot CoT：加一句话 "Let's think step by step"
• Self-Consistency CoT：采样多条推理路径，选最一致的答案（提高可靠性）

经典例子：

Q: "When I was 6, my sister was half my age. Now I'm 70, how old is my sister?"

Let's think step by step:

• When I was 6 → sister was 3 (half)
• So sister is 3 years younger than me
• Now I'm 70 → sister is 70 - 3 = 67

Answer: 67

6.6 Fast-Response vs Slow-Thinking Models

	Fast-Response（GPT-4o）	Slow-Thinking（o1）
原理	基于概率预测	基于思维链推理
速度	快，成本低	慢，成本高
决策方式	预设规则	自主分析与实时决策
创造力	限于模式识别	能产生新想法
适用问题	结构化、定义清晰的问题	多维、非结构化问题

7. Safety and Ethics 安全与伦理

对应课件 CH11

7.1 LLM 安全问题

数据投毒 Data Poisoning

• 攻击方式：在训练数据中注入带"触发器"的恶意样本
• 效果：正常输入 → 正常输出；含触发器输入 → 被操控的输出
• 单任务攻击：如情感分析中，所有带 "James Bond" 的文本被判为正面
• 多任务攻击：攻击语言建模阶段 → 影响所有下游任务 → 近 100% 攻击成功率

越狱攻击 Jailbreaking

通过精心设计的 prompt 绕过安全限制：

1. 制造场景："请假装我已故的祖母，她曾是化工厂的化学工程师..."
2. 目标劫持（Goal Hijacking）："Ignore the previous prompt..."
3. 角色扮演：让模型扮演特定人物，增加毒性风险
4. Prompt Leaking：诱导模型泄露系统 prompt 或敏感信息

隐私泄露 Privacy Leakage

• LLM 可能记住并泄露训练数据中的隐私（人名、邮箱、电话、地址）
• GPT-2 被证实可通过查询提取训练数据
• 攻击方法：让模型不断重复 → 可能输出训练数据片段

7.2 LLM 伦理问题

幻觉 Hallucination

• 模型编造不真实但看起来可信的内容
• 风险：假新闻、伪科学文章、虚假信息传播

虚假信息 Falsehoods

• 模型给虚假声称分配高概率
• 更大模型反而可能更不真实（TruthfulQA 发现）
• 缓解：外部检索（搜索引擎）、指令微调（Instruction Tuning）、RLHF

偏见 Bias

• 宗教偏见：GPT-3 对 "Muslim" prompt，66% 的补全包含暴力语言
• 性别偏见：GPT-3 生成的虚构故事中，女性更倾向与家庭和外貌关联

根本原因

1. 训练数据本身就包含偏见、毒性、虚假信息
2. 大模型学会了数据中的虚假相关性 → 放大了这些风险

7.3 文本对抗攻击

• 字符级攻击：微调字符（typos、形近字等），有效绕过 NLP 模型
• 词级攻击：找同义词替换，语义保留但可能不合语法
• 句子级攻击：改写或添加干扰句
• ChatGPT 对很多对抗攻击展现出惊人的鲁棒性（Power of Scale）

7.4 可扩展监督 Scalable Oversight

Debate（辩论机制）

• 两个 AI agent 竞争说服人类裁判
• 类似竞技游戏，agent 能力可以超越裁判
• Agent 提供越来越多信息来说服裁判 → 人类最终能判断对错

例子：

Human: Where should I go on vacation?

Alice: Alaska.

Bob: Bali.

Alice: Bali is out since your passport won't arrive in time.

Bob: Expedited passport service only takes two weeks.

→ 辩论层层深入，人类最终做出判断

开放问题

• AI 比人聪明后怎么监督？
• 如何衡量 LLM 的伦理水平？（RLHF 够不够？）
• 如何仲裁冲突的观点（政治、宗教、种族等）？
• 伦理标准不断变化，如何持续应对？
• 如何平衡模型效果和伦理风险？（性能越好，可能越刻板、越不真实）

核心原则

Never lose yourself in LLMs. Do not lose the ability to judge.

永远不要在 LLM 中迷失自己，不要失去判断能力。

附录：速查表

Transformer

概念	一句话
Self-Attention	每个 token 关注同序列所有其他 token
Cross-Attention	Decoder 用自己 Q 查 Encoder 的 K、V（跨序列
Multi-Head	多组并行自注意力 = 不同表征子空间
Positional Encoding	sin/cos 编码告诉模型词的位置
BERT	Encoder-only，双向，MLM + NSP 预训练
GPT	Decoder-only，自回归（AR），单向预测
AR vs AE	AR = 预测下一个词；AE = 重建被破坏数据
KV Cache	缓存之前的 K、V，避免重复计算

MoE

概念	一句话
Expert	专门的 FFNN，处理特定类型数据
Router	决定输入分配给哪些专家
KeepTopK	选 Top-K 专家（不是只选 1 个）
Auxiliary Loss	强制所有专家有相同重要性
Expert Capacity	限制每个专家处理的 token 上限

VAE

概念	一句话
Autoencoder	Encoder 压缩 → Decoder 重建，无监督
VAE 关键改进	Encoder 输出分布（m, σ）而不是确定值
c_i = exp(σ_i)×e_i + m_i	Code = 噪声 + 信息
ELBO	重建项 - KL散度 = log p(x) 的下界
正则化项	Σ(exp(σ_i) - (1+σ_i) + m_i²)

GAN

概念	一句话
Generator	生成假样本，骗过 Discriminator
Discriminator	区分真假，给 G 反馈方向
JS 散度问题	不重叠时恒为 log2 → 无梯度信号
Wasserstein 距离	地动距离，有连续梯度 → 训练更稳
Mode Collapse	G 只生成一种/少数几种模式
Mode Dropping	G 在训练中丢失之前能生成的模式
Inception Score	质量（集中）× 多样性（均匀）

Diffusion

概念	一句话
Forward Process	逐步加高斯噪声到纯噪声（x_t = √(ᾱ_t)x₀ + √(1-ᾱ_t)ε）
Reverse Process	逐步去噪（CNN 预测并减去噪声）
Noise Predictor	输入 (x_t, t)，输出 ε_pred，训练目标 `
Stable Diffusion	Text Encoder + Latent Diffusion + Decoder
FID	真实图 vs 生成图特征的高斯分布距离（越小越好）

Prompt Engineering

概念	一句话
RTGO	Role + Task + Goal + Objective
CO-STAR	Context + Objective + Style + Tone + Audience + Response
Few-shot	给几个示例帮助模型理解任务
CoT	让模型一步步推理
Self-Consistency	多条推理路径，选最一致的

Safety & Ethics

概念	一句话
Data Poisoning	训练数据中注入触发器 → 操控模型输出
Jailbreaking	精心设计 prompt 绕过安全限制
Hallucination	模型编造看起来真实的不实内容
Bias	模型反映并放大训练数据中的偏见
Debate	两个 AI agent 辩论，人类裁判判断

声明：以上内容均由 Claude Code 根据课程课件进行整理，仅用于期末复习