DPO、KTO、DiffusionDPO

DPO（Direct Preference Optimization）

原文来自于 https://arxiv.org/pdf/2305.18290，

Bradley-Terry (BT)模型，假设人的喜欢遵循下面的公式，给定x，得到$y_1$和$y_2$分别遵循以下关系，其中$r^{\ast }$是对奖励的估计：
$$p^{\ast }(y_1\succ y_2\mid x)=\frac{\exp (r^{\ast }(x,y_1))}{\exp (r^{\ast }(x,y_1))+\exp (r^{\ast }(x,y_2))}$$
除一下得到下面的形式，刚好是可以sigmoid形式

$$p^{\ast }(y_1\succ y_2\mid x)=\frac{1}{1+\exp (r^{\ast }(x,y_2)-r^{\ast }(x,y_1))}=\sigma (r^{\ast }(x,y_2)-r^{\ast }(x,y_1))$$
所以重点1来了：有了BT Model的假设，这个preference是一个sigmoid的形式，否则二分类应该是一个CE的形式，这种sigmoid的形式在后面推导最终表达式的时候有一些便利：
最终DPO的loss函数形式是
$$\begin{array}{c}{p}^{\ast }(y_1\succ y_2\mid x)=\frac{1}{1+\exp \left(\beta \log \frac{{\pi }^{\ast }(y_2\mid x)}{{\pi }_{\text{ref}}(y_2\mid x)}-\beta \log \frac{{\pi }^{\ast }(y_1\mid x)}{{\pi }_{\text{ref}}(y_1\mid x)}\right)}\end{array}$$
这里的$r^{\ast }(x,y)$实际上是借鉴PPO里面的思路应该表示成以下形式（由于拉格朗日乘数法所以多了一个Z，细节参考原文推导），刚好这个Z(x)由于Bradley-Terry假设就被消掉了，这也是BT Model的重点2，所以得到了上面公式(1)作为DPO的loss函数
$$r^{\ast }(x,y)=\beta \log \frac{{\pi }^{\ast }(y\mid x)}{{\pi }_{\text{ref}}(y\mid x)}+\beta \log Z(x)$$

KTO(Kahneman-Tversky Optimization)

KTO简单来说就是average来做reference point，上面DPO每次都是win和loss这样一对pair来比，KTO改成了从average里面取。这样就不再需要pair wise数据了，只需要point wise数据。但上面那个Z(x)姑且假设还能消掉。

作者调研了RL几个loss function，符合KT理论特征，发现人就是收益边际效用递减+损失厌恶，几种RL的loss都是下面图里的趋势。下面图只是画出了log的大概形状，和x轴和y轴的交点并不完全准确

DiffusionDPO

来自于 https://arxiv.org/pdf/2311.12908，问题是DPO是怎么加的呢？有下面几个点比较关键

Expectation to remove redundant predictions

因为stable diffusion有很多中间状态，解决方案是求个均值，下面公式里c是用户输入的prompt
$$r(c,x_0)={\mathbb{E}}_{p_{\theta }(x_{1:T}\mid x_0,c)}\left[R(c,x_{0:T})\right]$$

Jensen’s inequality

实际上就是通过Jensen不等式，把expectation取出来

Estimate p with q，加噪声时候是q，去噪声时候是p

最终得到的loss函数形式如下，含义也比较直观，尽可能接近winning cases，原理losing cases