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LoRA 低秩矩阵实现参数高效的权重更新

news 2025/7/25 12:06:19

LoRA 技术通过巧妙的设计，在保持原始线性层输入输出维度不变的前提下，用低秩矩阵实现参数高效的权重更新。让我用具体例子和图示解释它是如何 “改变维度” 的。

1. 标准线性层的维度变化

先回顾标准线性层 nn.Linear(d_in, d_out) 的工作方式：

输入：形状为 [batch_size, seq_len, d_in] 的张量（例如 [8, 10, 768]）。
权重矩阵：形状为 [d_out, d_in]（例如 [3072, 768]）。
输出：形状为 [batch_size, seq_len, d_out]（例如 [8, 10, 3072]）。

数学公式：

2. LoRA 线性层的维度变化

LoRA 线性层 lora.Linear(d_in, d_out, r=rank) 的核心是：

保留原始权重矩阵 W（冻结不更新）。
添加低秩分解的增量矩阵

3. 维度变化示例

假设：

输入维度 d_in = 768，输出维度 d_out = 3072（Transformer 中常见的 MLP 扩展）。
LoRA 秩参数 r = 8。

步骤分解：

原始权重路径：输入 [batch, seq_len, 768] → 乘以 \(W^T\)（形状 [768, 3072]）→ 输出 [batch, seq_len, 3072]。
LoRA 增量路径：输入 [batch, seq_len, 768] →
- 乘以 A^T（形状 [8, 768]）→ 中间结果 [batch, seq_len, 8]；
- 再乘以 B^T形状 [3072, 8]）→ 最终增量 [batch, seq_len, 3072]。
合并结果：原始输出 + LoRA 增量 → 形状仍为 [batch, seq_len, 3072]。

4. 为什么这样设计？

LoRA 的核心是用低秩矩阵近似全秩更新，从而大幅减少参数：

关键优势：

维度不变：输入输出维度与原始线性层完全一致，不改变模型架构。
计算高效：推理时可将 LoRA 权重合并到 W 中，无需额外计算。

5. 可视化对比

标准线性层：
输入 [768] → [768×3072] → 输出 [3072]LoRA线性层：
输入 [768] ────→ [768×3072]（冻结）─────┐↘                    ↓[768×8] → [8×3072] ──→ + → 输出 [3072]

6. 代码验证

以下代码验证 LoRA 线性层的维度变化：

import torch
import torch.nn as nn# 标准线性层
linear = nn.Linear(768, 3072)# 简化的LoRA实现（实际库更复杂）
class LoRALinear(nn.Module):def __init__(self, in_features, out_features, r=8):super().__init__()self.r = r# 原始权重（冻结）self.weight = nn.Parameter(torch.zeros(out_features, in_features), requires_grad=False)# LoRA权重self.A = nn.Parameter(torch.randn(r, in_features) * 0.02)  # [r, d_in]self.B = nn.Parameter(torch.zeros(out_features, r))        # [d_out, r]def forward(self, x):# 原始线性变换out = nn.functional.linear(x, self.weight)# LoRA增量lora_out = nn.functional.linear(x, self.B @ self.A)return out + lora_outlora_linear = LoRALinear(768, 3072, r=8)# 验证维度
x = torch.randn(16, 10, 768)  # [batch, seq_len, d_in]
out_linear = linear(x)
out_lora = lora_linear(x)print(f"标准线性层输出形状: {out_linear.shape}")  # [16, 10, 3072]
print(f"LoRA线性层输出形状: {out_lora.shape}")   # [16, 10, 3072]