科学空间|Scientific Spaces

今天介绍一篇比较经典的工作，作者命名为f-GAN，他在文章中给出了通过一般的$f$散度来构造一般的GAN的方案。可以毫不夸张地说，这论文就是一个GAN模型的“生产车间”，它一般化的囊括了很多GAN变种，并且可以启发我们快速地构建新的GAN变种（当然有没有价值是另一回事，但理论上是这样）。

局部变分

整篇文章对$f$散度的处理事实上在机器学习中被称为“局部变分方法”，它是一种非常经典且有用的估算技巧。事实上本文将会花大部分篇幅介绍这种估算技巧在$f$散度中的应用结果。至于GAN，只不过是这个结果的基本应用而已。

f散度

首先我们还是对$f$散度进行基本的介绍。所谓$f$散度，是KL散度的一般化：
$$\begin{equation}\mathcal{D}_f(P\Vert Q) = \int q(x) f\left(\frac{p(x)}{q(x)}\right)dx\label{eq:f-div}\end{equation}$$
注意，按照通用的约定写法，括号内是$p/q$而不是$q/p$，大家不要自然而言地根据KL散度的形式以为是$q/p$。

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在这个系列中，我们来关心优化算法，而本文的主题则是SGD（stochastic gradient descent，随机梯度下降），包括带Momentum和Nesterov版本的。对于SGD，我们通常会关心的几个问题是：

SGD为什么有效？
SGD的batch size是不是越大越好？
SGD的学习率怎么调？
Momentum是怎么加速的？
Nesterov为什么又比Momentum稍好？
...

这里试图从动力学角度分析SGD，给出上述问题的一些启发性理解。

梯度下降

既然要比较谁好谁差，就需要知道最好是什么样的，也就是说我们的终极目标是什么？

训练目标分析

假设全部训练样本的集合为$\boldsymbol{S}$，损失度量为$L(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})$，其中$\boldsymbol{x}$代表单个样本，而$\boldsymbol{\theta}$则是优化参数，那么我们可以构建损失函数
$$L(\boldsymbol{\theta}) = \frac{1}{|\boldsymbol{S}|}\sum_{\boldsymbol{x}\in\boldsymbol{S}} L(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\tag{1}$$
而训练的终极目标，则是找到$L(\boldsymbol{\theta})$的一个全局最优点（这里的最优是“最小”的意思）。

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本来笔者已经决心不玩RNN了，但是在上个星期思考时忽然意识到RNN实际上对应了ODE（常微分方程）的数值解法，这为我一直以来想做的事情——用深度学习来解决一些纯数学问题——提供了思路。事实上这是一个颇为有趣和有用的结果，遂介绍一翻。顺便地，本文也涉及到了自己动手编写RNN的内容，所以本文也可以作为编写自定义的RNN层的一个简单教程。

注：本文并非前段时间的热点“神经ODE”的介绍（但有一定的联系）。

RNN基本

什么是RNN？

众所周知，RNN是“循环神经网络（Recurrent Neural Network）”，跟CNN不同，RNN可以说是一类模型的总称，而并非单个模型。简单来讲，只要是输入向量序列$(\boldsymbol{x}_1,\boldsymbol{x}_2,\dots,\boldsymbol{x}_T)$，输出另外一个向量序列$(\boldsymbol{y}_1,\boldsymbol{y}_2,\dots,\boldsymbol{y}_T)$，并且满足如下递归关系
$$\boldsymbol{y}_t=f(\boldsymbol{y}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t, t)\tag{1}$$
的模型，都可以称为RNN。也正因为如此，原始的朴素RNN，还有改进的如GRU、LSTM、SRU等模型，我们都称为RNN，因为它们都可以作为上式的一个特例。还有一些看上去与RNN没关的内容，比如前不久介绍的CRF的分母的计算，实际上也是一个简单的RNN。

说白了，RNN其实就是递归计算。

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说到噪声对比估计，或者“负采样”，大家可能立马就想到了Word2Vec。事实上，它的含义远不止于此，噪音对比估计（NCE, Noise Contrastive Estimation）是一个迂回但却异常精美的技巧，它使得我们在没法直接完成归一化因子（也叫配分函数）的计算时，就能够去估算出概率分布的参数。本文就让我们来欣赏一下NCE的曲径通幽般的美妙。

注：由于出发点不同，本文所介绍的“噪声对比估计”实际上更偏向于所谓的“负采样”技巧，但两者本质上是一样的，在此不作区分。

问题起源

问题的根源是难分难舍的指数概率分布～

指数族分布

在很多问题中都会出现指数族分布，即对于某个变量$\boldsymbol{x}$的概率$p(\boldsymbol{x})$，我们将其写成
$$p(\boldsymbol{x}) = \frac{e^{G(\boldsymbol{x})}}{Z}\tag{1}$$
其中$G(\boldsymbol{x})$是$\boldsymbol{x}$的某个“能量”函数，而$Z=\sum_{\boldsymbol{x}} e^{G(\boldsymbol{x})}$则是归一化常数，也叫配分函数。这种分布也称为“玻尔兹曼分布”。

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源起

前几天写了博文《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》，从一种比较通俗的观点来理解变分自编码器（VAE），在那篇文章的视角中，VAE跟普通的自编码器差别不大，无非是多加了噪声并对噪声做了约束。然而，当初我想要弄懂VAE的初衷，是想看看究竟贝叶斯学派的概率图模型究竟是如何与深度学习结合来发挥作用的，如果仅仅是得到一个通俗的理解，那显然是不够的。

所以我对VAE继续思考了几天，试图用更一般的、概率化的语言来把VAE说清楚。事实上，这种思考也能回答通俗理解中无法解答的问题，比如重构损失用MSE好还是交叉熵好、重构损失和KL损失应该怎么平衡，等等。

建议在阅读《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》后对本文进行阅读，本文在内容上尽量不与前文重复。

准备

在进入对VAE的描述之前，我觉得有必要把一些概念性的内容讲一下。

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最近在思考NLP的无监督学习和概率图相关的一些内容，于是重新把一些参数估计方法理了一遍。在深度学习中，参数估计是最基本的步骤之一了，也就是我们所说的模型训练过程。为了训练模型就得有个损失函数，而如果没有系统学习过概率论的读者，能想到的最自然的损失函数估计是平均平方误差，它也就是对应于我们所说的欧式距离。而理论上来讲，概率模型的最佳搭配应该是“交叉熵”函数，它来源于概率论中的最大似然函数。

最大似然

合理的存在

何为最大似然？哲学上有句话叫做“存在就是合理的”，最大似然的意思是“存在就是最合理的”。具体来说，如果事件$X$的概率分布为$p(X)$，如果一次观测中具体观测到的值分别为$X_1,X_2,\dots,X_n$，并假设它们是相互独立，那么
$$\mathcal{P} = \prod_{i=1}^n p(X_i)\tag{1}$$
是最大的。如果$p(X)$是一个带有参数$\theta$的概率分布式$p_{\theta}(X)$，那么我们应当想办法选择$\theta$，使得$\mathcal{L}$最大化，即
$$\theta = \mathop{\text{argmax}}_{\theta} \mathcal{P}(\theta) = \mathop{\text{argmax}}_{\theta}\prod_{i=1}^n p_{\theta}(X_i)\tag{2}$$

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本文以尽可能清晰、简明的方式来介绍了一阶偏微分方程的特征线法。个人认为这是偏微分方程理论中较为简单但事实上又容易让人含糊的一部分内容，因此尝试以自己的文字来做一番介绍。当然，更准确来说其实是笔者自己的备忘。

拟线性情形

一般步骤

考虑偏微分方程
$$\begin{equation}\boldsymbol{\alpha}(\boldsymbol{x},u) \cdot \frac{\partial}{\partial \boldsymbol{x}} u = \beta(\boldsymbol{x},u)\end{equation}$$
其中$\boldsymbol{\alpha}$是一个$n$维向量函数，$\beta$是一个标量函数，$\cdot$是向量的点积，$u\equiv u(\boldsymbol{x})$是$n$元函数，$\boldsymbol{x}$是它的自变量。

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主方程（master equation）是对随机过程进行建模的重要方法，它代表着马尔科夫过程的微分形式，我们的专业主要工具之一就是主方程，说宏大一点，量子力学和统计力学等也不外乎是主方程的一个特例。

然而，笔者阅读了几个著作，比如《统计物理现代教程》，还有我导师的《生物系统的随机动力学》，我发现这些著作对于主方程的推导都很模糊，他们在着力解释结果的意义，但并不说明结果的思想来源，因此其过程难以让人信服。而知乎上有人提问《如何理解马尔科夫过程的主方程的推导过程？》但没有得到很好的答案，也表明了这个事实。

马尔可夫过程

主方程是用来描述马尔科夫过程的，而马尔科夫过程可以理解为运动的无记忆性，说通俗点，就是下一刻的概率分布，只跟当前时刻有关，跟历史状态无关。用概率公式写出来就是（这里只考虑连续型概率，因此这里的$p$是概率密度）：
$$\begin{equation}\label{eq:maerkefu}p(x,\tau)=\int p(x,\tau|y,t) p(y,t) dy\end{equation}$$
这里的积分区域是全空间。这里的$p(x,\tau|y,t)$称为跃迁概率，即已经确定了$t$时刻来到了$y$位置后、在$\tau$时刻达到$x$的概率密度，这个式子的物理意义是很明显的，就不多做解释了。

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