別爭了！香農老婆，才是世界上第一個大語言模型

henry 發自 凹非寺量子位 | 公眾號 QbitAI

別爭了！

世界上第一個明牌自己是大語言模型的人，可能是香農的老婆。

1950年前后的某一天晚上，咱們的信息論鼻祖香農跟老婆貝蒂在客廳做了一個小實驗。

實驗里，香農扮演著一個拿著書本考試的教官，Betty則扮演一個做做詞語接龍的學生，根據香農的提示，猜下一個字母。

具體的，香農會從書中某一段開始，一個字母一個字母往后走。

每到一個位置，他先不報答案，而是先問貝蒂，下一個字母是什么？

就這樣，貝蒂猜，香農記。

猜錯了，香農寫下正確字母。猜對了，他畫一個短橫。

這樣一來，就像上面圖里展示的那樣，一段完整的英文被拆成了兩部分：

貝蒂已經能預測的地方，用短橫帶過；貝蒂預測不了的地方，才需要把原字母寫下來。

乍一看，這畫面有點像什么高知伉儷玩的飯后游戲。

但在3Blue1Brown最新的視頻里，這個實驗被放回了一條更大的線索里——

它可能是人類歷史上最早的一場真人版next-token prediction

更進一步，借由香農的例子，3Blue1Brown主理人Grant Sanderson還探討了一個從信息論一路通向大語言模型的問題：

為什么預測下一個token這件看起來再簡單不過的事，會和壓縮、熵，甚至智能扯上關系？

而答案，可能就藏在貝蒂畫掉的那些短橫里。

LLM只是一場猜字母實驗？

盡管Grant的視頻已經講得足夠清楚，但為了更平滑一些，咱還是先回到香農和貝蒂那個實驗。

表面上看，香農和貝蒂玩的點像雙人語音版填字游戲，一個給前文，一個猜下一個字母。

比如，在英文里t后面很可能跟著h，所以當香農給出線索t的時候，貝蒂很可能會回答h。

換成中文，其實也差不多。比如，當你看到一個「你」，后面很可能接好，來組成「你好」。

但香農真正關心在意的，可能并不是貝蒂猜得準不準，而是猜對之后，會發生什么。

就像我們開頭提到的，實驗最后得到的那個轉錄版本，真實字母比原文少得多。

貝蒂猜對的地方，只剩一個短橫。貝蒂猜錯的地方，才保留原來的字母。

看上去，字是變少了，但在某種意義上，它包含的信息量沒有變

原因也很簡單。

如果香農能復制出另一個一模一樣的貝蒂，再讓她看這份縮短版文本，她理論上仍然可以把原文復原出來。

而這，就是「可預測性允許壓縮」最直觀的版本。

這很好理解，就像你跟哥們聊天一樣。

一開始表達同意，你們會說「好的」，到后面變成「OK」，再后來只剩一個「k」，到最后甚至只是一個唐人表情包就足以心領神會。

表達越來越精簡，并不是因為信息消失了，而是因為雙方已經知道上下文，所以沒必要把完整形式再打一遍。

不過相信聰明的大伙已經發現了，香農這個實驗有點問題：

• 人不是機器。貝蒂這次猜對的字母，下次未必還會猜對。一個人兩次面對同一段前文，也未必會給出完全一樣的答案。

所以，雖然這個實驗能說明語言可以被預測，所以語言可以被壓縮，但它還不能精確測量語言到底有多少信息。

于是乎，香農后來把這個實驗做得更系統。

在后續發表的論文Prediction and Entropy of Printed English中，香農找來更多受試者，不再只記錄猜對還是猜錯，而是記錄一個人需要猜多少次，才能猜中正確的下一個字母。

猜一次就中，說明這個字母在當前上下文里很容易預測，如果猜很多次才中，就說明它更意外。

換句話說，香農其實在用一套方法，把猜了幾次轉換成受試者心里對正確字母的隱含概率。

這一步很關鍵。

因為同一個位置，不同人會給出不同猜法。有人第一次就猜中，有人猜到第五次才猜中。差別不在字母本身，而在每個人腦子里那套對英文的判斷。

所以，香農測的不是書本上的靜態詞頻，他測的是人如何根據自己的上下文來分配概率。

看到th，下一個字母可能是e，也可能是a。到底先猜哪個，猜到第幾次才輪到正確答案，背后都是這個人對英文的理解在排序。

到這，相信你也看出來了。

香農這是把人當成語言模型整了，而他的妻子Betty，可能就是第一個明牌自己在做next-token prediction的人。

只不過那個模型不是Transformer，是人腦。

這些人腦知道語法、常識、上下文、語感，也知道一段英文接下來大概率會怎么走。

而香農干的，就是不斷地追問：下一個字母是什么？

預測和壓縮，大模型的一體兩面

到這里，貝蒂的任務其實就已經完成了：

她用自己的模型（大腦），劃掉了一段文本里可以被預測的部分

后面香農找來更多受試者，本質上也都是在做同一件事：

能夠預測的部分劃掉，只留下那些預測不了、必須寫出來的字母。

于是，原本的長文本，就這樣被壓縮成了一份更短的新文本

所以，順理成章的，我們會想：

假如一個人，讀過一本書，就能靠自己的語言經驗，預測書里一部分字母，從而把它壓縮得更短；

那么，有沒有一個模型，能吃下整個互聯網，然后預測各種上下文里的空白呢？

或者換一個更AI的說法：模型能不能把語言里的規律，壓進自己的參數里？

答案是肯定的，但先別急著往大模型上靠。

在這之前，Grant視頻里還有一個更底層、也更值得探討的問題：

怎么判斷一種壓縮方式，到底好不好？

最簡單的標準當然是：越短越好。

如果一段信息里還有規律可找，還有冗余可刪，那它就還能被繼續壓縮。

反過來說，如果一段信息已經被壓縮到極限，所有能預測、能概括、能利用的規律都被榨干了，最后剩下的是什么？

沒錯，就是信息

在香農那里，信息有個經典的定義：

• 一件事到底有多出乎意料。

如果一句話的下一個字母幾乎已經板上釘釘，那它就沒攜帶多少新信息。

但如果下一個字母完全猜不到，它就真的需要被寫出來。

這也是為什么Grant會說，一個理想的壓縮算法，壓到最后，輸出應該看起來像隨機噪聲。

因為，噪聲沒有模式。

每一位都像獨立拋硬幣，50%是0，50%是1，彼此之間沒有任何可利用的關系。

沒有模式，就沒有規律可學；沒有規律可學，就沒有冗余可刪；沒有冗余可刪，也就沒有繼續壓縮的空間。

所以，隨機噪聲不是因為「亂」才重要。它重要，是因為它代表了一種極限狀態：

所有可預測的東西都已經被拿走了，剩下的每一位都必須被傳輸。

到這里，預測和壓縮這兩件事也就真正扣上了。

預測，是在問：哪些部分可以不用寫？

壓縮，是在做：把不用寫的部分刪掉。

而信息，就是最后那些無論如何都必須寫下來的東西。

信息量

如果你看到這里，香農那個著名公式也就不再像一個憑空冒出來的數學定義了。

假設一條消息出現的概率是p，那么它的信息量就是-log?(p)。

根據這條曲線，發生概率越小，信息量越大；發生概率越大，信息量越小。

用剛才那套話說就是：越容易被預測出來的東西，信息量越小。越難以預測的東西，信息量越大。

而從壓縮的角度看，這個公式問的其實是：

• 為了把這條消息從所有可能性里區分出來，理論上至少需要多少 bit？

這就是香農最厲害的地方。他把「預測不了的部分」，變成了可以計算的東西。

但問題在于，現實生活中，我們很少只面對一條消息。更多時候，我們面對的是一整套可能性。

視頻里，Grant舉了機器人上下左右的例子。機器人收到的指令，不只是動和不動，而是上、下、左、右四種可能。

如果四個方向出現得一樣頻繁，那它們也就一樣難猜。

這時最自然的編碼方式，就是給每個方向分配同樣長的bit。

比如：上是00，下是01，左是10，右是11。每條指令固定2bit，簡單直接。

但如果上出現得最多，下次之，左和右更少，那最高效的編碼方式就變了。

這時，我們就沒必要讓每個方向都占同樣長的編碼。

常見的方向，可以用更短的碼字表示。少見的方向，則可以用更長的碼字表示。

只要保證每個碼字不會互相混淆，也就是不會讀著讀著不知道該在哪里斷開，就能讓整體平均長度變短。

視頻里就是通過這種變長編碼，把平均每條指令需要的bit數，從固定編碼的2 bit，降到了1.75bit。

這就是壓縮里非常核心的一條直覺：

概率越高的消息，應該用越短的編碼；概率越低的消息，才值得用更長的編碼。

那么推廣開來，我們接下來要問的就不再是某一條消息有多少信息量。

而是在這一整套分布里，每來一個新符號，平均還有多少東西必須寫下來？

這種在某個分布下，每來一個新符號，平均還剩多少必須寫下來的東西，也被稱作熵。

熵越低，說明系統越容易預測，越好壓縮。熵越高，說明系統越隨機，越難壓縮。

如果四個方向完全一樣常見，機器人下一步往哪走就很難猜，熵會更高。

同理，語言也是一樣。只不過語言的可能性更多，上下文更長，麻煩也更大。

從熵到loss：大模型到底在壓縮什么？

與機器人上下左右不同，大語言模型需要成千上萬個token備選中選擇最可能的下一個。

同時，它也不是孤立選擇，而是嚴重依賴上下文。

所以，語言的熵本質上問的是：在給定前文之后，下一個token平均還有多少不確定性？

從壓縮的角度來看，就是用這個模型來壓縮真實文本，平均還要花多少bit，才能把下一個token寫出來？

這也就是為什么，大模型訓練里常見的交叉熵損失，天然會和壓縮連在一起。

模型給真實token的概率越高，說明它越不意外。越不意外，信息量就越低。信息量越低，編碼它就越省。

所以，交叉熵越低，模型就越像一個更好的壓縮器。

與此同時，模型越能預測下一個token，就越說明它已經捕捉到了語言里的可重復結構。

語法、搭配、格式、事實、代碼習慣、對話模式、推理套路，甚至一部分世界常識，都藏在這件事里面。

當然，Grant表示，這并不意味著：壓縮可以粗暴地等同于智能。

ZIP很會壓文件，但沒有人會說ZIP在思考。

更謹慎的說法是：智能至少包含一種能力——

抓住世界里可預測的結構。

這也是“壓縮即智能”最值得琢磨的地方。

它不是說，只要能壓縮，就擁有智能。

而是說，如果一個系統真的能把復雜世界里的規律壓進一個更短的表示里，并且能在新上下文里繼續用它預測，那它至少已經碰到了智能的一部分。

這時再回頭看開頭那張畫面，就不只是香農和貝蒂在家玩猜字母了。

貝蒂猜對的地方，香農畫一個短橫。七十多年后，大語言模型猜對的地方，loss降低一點。

短橫變成了loss，書頁變成了互聯網。

坐在桌邊猜字母的人，變成了GPT。

它們都在回答同一個問題：

下一個符號，能帶來多少驚訝！

[1]https://www.youtube.com/watch?v=l6DKRf-fAAM&t=745s