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位置编码的频域分析:把 PE 统一成核函数的谱

第 90 / 147 篇 · 2025-05-10 · ai · 位置编码傅里叶分析核方法

前几篇分别推了正弦 PE(第 5020 篇)、ALiBi(第 5050 篇)、RoPE(第 5010 篇)。这篇换一个视角:不看"编码长什么样",看"编码诱导的核长什么样",三者在频域里立刻变成同一个数学对象。

从编码到核

注意力打分 = 内容项 + 位置项。把内容固定,只看位置对打分的边际贡献,每种 PE 都诱导出一个只依赖距离 $r = i - j$ 的函数 $K(r)$——把它看成核函数(核回归视角见第 4270 篇):

$$ \underbrace{K(r) = \sum_d \cos(r\theta_d)}_{\text{正弦 PE / RoPE(无内容时)}},\qquad \underbrace{K(r) = -s\,|r|}_{\text{ALiBi}},\qquad \underbrace{K(i,j) = p_i^\top p_j \;\;(\text{查表,非平稳})}_{\text{可学习绝对 PE}}. $$

前两个是平稳核(只依赖 $r$),这是相对位置方案的代数特征;可学习绝对 PE 的"核" $p_i^\top p_j$ 依赖两个绝对下标,不平稳——这一个性质之差,决定了外推能力的分野(第 5030 篇的局限在这里有了谱的解释)。

三种谱

对平稳核做傅里叶变换 $\hat K(\omega) = \int K(r) e^{-i\omega r}\, dr$,得到的密度就是"模型在各个位置频率 $\omega$ 上的表达能力":

正弦 / RoPE:线谱。 $K(r) = \sum_d \cos(r\theta_d)$ 的谱是 $\omega = \pm\theta_d$ 处的一串冲激。这不是近似——正弦 PE 本质就是"把位置做截断傅里叶展开",谱线位置就是基频的几何铺排 $\theta_d = 10000^{-2d/d_{\max}}$(第 5070 篇)。表达能力集中在 $d/2$ 根离散谱线上,谱线之间的频率成分模型表达不了。

ALiBi:洛伦兹谱。 注意力权重里的核是 $e^{-s|r|}$(第 5050 篇推过这个等价),其谱是洛伦兹型:

$$ \widehat{e^{-s|\cdot|}}(\omega) = \frac{2s}{s^2 + \omega^2}. $$

低频集中、无振荡、单调衰减。物理图像:一个低通先验,"越远越不重要"用连续谱表达,而不是离散振荡通道。多头取几何序列斜率 $s_h$,等于把同一个谱形在频率轴上对数平铺——和 RoPE 谱线的对数铺排是同构设计。

可学习绝对 PE:栅格谱。 谱只在训练见过的下标网格上被优化,网格之外没有定义。傅里叶分析说得很直白:它的谱不是"形状不适合外推",是根本不存在于训练网格之外——表外取值等价于未初始化参数。

谱视角的三个推论

外推 = 未采样滞后处的核行为。 平稳核由 $\hat K$ 完全决定,所以"外推能力"不是玄学:看 $\hat K$ 是否低维、平滑、有解析形式。RoPE 的线谱解析延拓自然(旋转任意角都有定义),ALiBi 的洛伦兹谱天然全局,可学习 PE 没有解析形式——三者的外推排名在谱上一目了然,与第 5110 篇的实测一致。

分辨率 = 谱线密度。 第 5150 篇算的"距离 $r$ 处区分度随频率线性缩水",在频域里是个 Nyquist 味道的结论:要分辨尺度 $\Delta r$ 的位置结构,需要 $\omega \lesssim 2\pi/\Delta r$ 的谱成分。RoPE 谱线铺到 $\theta_{\min} \approx 10^{-4}$,对应最大可分辨尺度约 $5\times 10^4$——但谱线只有 $d/2$ 根且对数分布,中间频率是空的,分辨率呈阶梯状。

多尺度 = 谱覆盖策略。 RoPE 用离散谱线对数铺满(覆盖广、分辨率不均匀),ALiBi 用连续低通谱(平滑、只有低频),长卷积/Hyena(第 4260 篇)用可学习核即"可学习谱"(自由但需训练数据支撑)。选型之争在频域里是纯粹的谱设计之争。

小结

频域视角把所有位置编码方案放到同一把尺上:$K(r)$ 是否平稳决定能否相对化,$\hat K$ 的形状决定表达与外推,谱的覆盖决定分辨率。下次看到新的 PE 方案,可以先问三个问题:核是什么、谱长什么样、谱线在频率轴上怎么铺。

三种 PE 的核 K(r)(上)与谱 K̂(ω)(下) 正弦 / RoPE:线谱 ALiBi:洛伦兹谱 可学习绝对 PE:栅格 ? K(r) = Σ cos(rθ_d) K(r) = −s|r| K = p_iᵀp_j,非平稳 谱:d/2 根离散谱线 谱:2s/(s²+ω²) 低通 谱:仅训练网格上有定义 外推能力 = 谱的解析延拓质量;分辨率 = 谱线密度