论文阅读的附录（八）：Understanding Diffusion Models: A Unified Perspective（五）：逐步加噪评分匹配

文章概括

引用：

@article{luo2022understanding,title={Understanding diffusion models: A unified perspective},author={Luo, Calvin},journal={arXiv preprint arXiv:2208.11970},year={2022}
}

Luo, C., 2022. Understanding diffusion models: A unified perspective. arXiv preprint arXiv:2208.11970.

原文： https://arxiv.org/abs/2208.11970
代码、数据和视频：https://arxiv.org/abs/2208.11970

文章解析原文：
论文笔记（六十三）Understanding Diffusion Models: A Unified Perspective（五）

1. Fisher 散度的定义

Fisher 散度衡量模型得分函数 $s_{\theta }(x)$ 和真实得分函数 $\nabla \log p(x)$ 的差异：
$$D_F(s_{\theta },\nabla \log p)={\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert s_{\theta }(x)-\nabla \log p(x){\Vert }_2^2\right].$$

展开平方项：
$$D_F(s_{\theta },\nabla \log p)={\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert s_{\theta }(x){\Vert }_2^2\right]-2{\mathbb{E}}_{p(x)}\left[s_{\theta }(x{)}^T\nabla \log p(x)\right]+{\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert \nabla \log p(x){\Vert }_2^2\right].$$

问题

• 第三项 ${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert \nabla \log p(x){\Vert }_2^2\right]$ 与模型 $s_{\theta }(x)$ 无关，因此可以忽略。
• 第二项 ${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[s_{\theta }(x{)}^T\nabla \log p(x)\right]$ 涉及真实得分函数 $\nabla \log p(x)$，我们无法直接计算。

目标：通过数学技巧，重新表达第二项，从而绕过对 $\nabla \log p(x)$ 的依赖。

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2. 数学技巧：积分分部法（Integration by Parts）

2.1 回顾积分分部法

对于任意两个函数 $u(x)$ 和 $v(x)$，积分分部公式为：
$$\int u(x)v^{\prime }(x)dx=\left[u(x)v(x)\right]-\int u^{\prime }(x)v(x)dx.$$

我们将其推广到多维情形，涉及梯度和散度（divergence）。

2.2 多维积分分部公式

假设 $u(x)$ 是一个标量函数，$v(x)$ 是一个向量场，则：
$$\int u(x)\nabla \cdot v(x)dx=\int \nabla u(x)\cdot v(x)dx.$$

如果 $p(x)$ 是概率密度函数，其积分在边界快速衰减为零，则有：
$${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\nabla \cdot v(x)\right]=-{\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\nabla \log p(x)\cdot v(x)\right].$$

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3. 重新表达 Fisher 散度的第二项

3.1 第二项的原始形式

目标是重新表达：
$${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[s_{\theta }(x{)}^T\nabla \log p(x)\right].$$

利用积分分部公式：
$${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[s_{\theta }(x{)}^T\nabla \log p(x)\right]=-{\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\nabla \cdot s_{\theta }(x)\right].$$

3.2 替换到 Fisher 散度

将第二项替换后，Fisher 散度变为：
$$D_F(s_{\theta },\nabla \log p)={\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert s_{\theta }(x){\Vert }_2^2\right]+2{\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\nabla \cdot s_{\theta }(x)\right].$$

这是一种可计算的目标函数，因为：

• 第一个期望项 ${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert s_{\theta }(x){\Vert }_2^2\right]$ 只依赖于模型 $s_{\theta }(x)$。
• 第二个期望项 ${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\nabla \cdot s_{\theta }(x)\right]$ 是散度，模型 $s_{\theta }(x)$ 的梯度也可计算。

3.3 最终可优化的目标

最终，我们无需知道真实得分函数 $\nabla \log p(x)$，即可优化模型 $s_{\theta }(x)$：
$${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert s_{\theta }(x){\Vert }_2^2+2\nabla \cdot s_{\theta }(x)\right].$$

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4. 为什么重新表达后可以绕过真实得分函数？

重新表达后：

• $\Vert s_{\theta }(x){\Vert }_2^2$：完全依赖模型 $s_{\theta }(x)$，直接计算。
• $\nabla \cdot s_{\theta }(x)$：是模型的散度，也完全可计算。
• 原始目标中的 $\nabla \log p(x)$ 被替换掉，因此不再依赖真实数据分布的得分函数。

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5. 示例：一维高斯分布的评分匹配

假设数据分布为一维标准正态分布：
$$p(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{e}^{-\frac{x^2}{2}}.$$

5.1 真实得分函数

真实得分函数为：
$$\nabla \log p(x)=-x.$$

5.2 模型得分函数

假设模型得分函数为 $s_{\theta }(x)=-\theta x$，其中 $\theta$ 是待学习的参数。

5.3 Fisher 散度展开

展开 Fisher 散度：
$$D_F(s_{\theta },\nabla \log p)={\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\Vert s_{\theta }(x)-\nabla \log p(x){\Vert }_2^2\right].$$

重新表达目标：
$${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[s_{\theta }(x{)}^2\right]+2{\mathbb{E}}_{p(x)}\left[\nabla \cdot s_{\theta }(x)\right].$$

具体计算：

1. ${\mathbb{E}}_{p(x)}\left[s_{\theta }(x{)}^2\right]={\theta }^2{\mathbb{E}}_{p(x)}\left[x^2\right]={\theta }^2.$
2. $\nabla \cdot s_{\theta }(x)=-\theta .$

最终目标：
$$D_F(s_{\theta },\nabla \log p)={\theta }^2-2\theta .$$

通过优化 $D_F$，我们可以得到最优参数 $\theta =1$，使得 $s_{\theta }(x)=\nabla \log p(x)=-x$。

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6. 总结

通过积分分部法，Fisher 散度中的真实得分函数 $\nabla \log p(x)$ 被散度项 $\nabla \cdot s_{\theta }(x)$ 替代。评分匹配无需直接访问 $\nabla \log p(x)$，使得在未知真实分布的情况下也能训练得分函数。