科学空间|Scientific Spaces

前两天刷到了Google的一篇论文《Step-size Adaptation Using Exponentiated Gradient Updates》，在其中学到了一些新的概念，所以在此记录分享一下。主要的内容有两个，一是非负优化的指数梯度下降，二是基于元学习思想的学习率调整算法，两者都颇有意思，有兴趣的读者也可以了解一下。

指数梯度下降

梯度下降大家可能听说得多了，指的是对于无约束函数$\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta})$的最小化，我们用如下格式进行更新：
\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{t+1} = \boldsymbol{\theta}_t - \eta\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta}_t)\end{equation}
其中$\eta$是学习率。然而很多任务并非总是无约束的，对于最简单的非负约束，我们可以改为如下格式更新：
\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{t+1} = \boldsymbol{\theta}_t \odot \exp\left(- \eta\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta}_t)\right)\label{eq:egd}\end{equation}
这里的$\odot$是逐位对应相乘（Hadamard积）。容易看到，只要初始化的$\boldsymbol{\theta}_0$是非负的，那么在整个更新过程中$\boldsymbol{\theta}_t$都会保持非负，这就是用于非负约束优化的“指数梯度下降”。

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ReLU函数，也就是$\max(x,0)$，是最常见的激活函数之一，然而它在$x=0$处的不可导通常也被视为一个“槽点”。为此，有诸多的光滑近似被提出，比如SoftPlus、GeLU、Swish等，不过这些光滑近似无一例外地至少都使用了指数运算$e^x$（SoftPlus还用到了对数），从“精打细算”的角度来看，计算量还是不小的（虽然当前在GPU加速之下，我们很少去感知这点计算量了）。最近有一篇论文《Squareplus: A Softplus-Like Algebraic Rectifier》提了一个更简单的近似，称为SquarePlus，我们也来讨论讨论。

需要事先指出的是，笔者是不建议大家花太多时间在激活函数的选择和设计上的，所以虽然分享了这篇论文，但主要是提供一个参考结果，并充当一道练习题来给大家“练练手”。

定义

SquarePlus的形式很简单，只用到了加、乘、除和开方：
\begin{equation}\text{SquarePlus}(x)=\frac{x+\sqrt{x^2+b}}{2}\end{equation}

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在上一篇文章《从熵不变性看Attention的Scale操作》中，我们从熵不变性的角度推导了一个新的Attention Scale，并且实验显示具有熵不变性的新Scale确实能使得Attention的外推性能更好。这时候笔者就有一个很自然的疑问：

有没有类似L2 Normalization之类的操作，可以直接对概率分布进行变换，使得保持原始分布主要特性的同时，让它的熵为指定值？

笔者带着疑问搜索了一番，发现没有类似的研究，于是自己尝试推导了一下，算是得到了一个基本满意的结果，暂称为“熵归一化（Entropy Normalization）”，记录在此，供有需要的读者参考。

幂次变换

首先，假设$n$元分布$(p_1,p_2,\cdots,p_n)$，它的熵定义为
\begin{equation}\mathcal{H} = -\sum_i p_i \log p_i = \mathbb{E}[-\log p_i]\end{equation}

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在本博客中，已经多次讨论过梯度惩罚相关内容了。从形式上来看，梯度惩罚项分为两种，一种是关于输入的梯度惩罚$\Vert\nabla_{\boldsymbol{x}} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\Vert^2$，在《对抗训练浅谈：意义、方法和思考（附Keras实现）》、《泛化性乱弹：从随机噪声、梯度惩罚到虚拟对抗训练》等文章中我们讨论过，另一种则是关于参数的梯度惩罚$\Vert\nabla_{\boldsymbol{\theta}} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\Vert^2$，在《从动力学角度看优化算法（五）：为什么学习率不宜过小？》、《我们真的需要把训练集的损失降低到零吗？》等文章我们讨论过。

在相关文章中，两种梯度惩罚都声称有着提高模型泛化性能的能力，那么两者有没有什么联系呢？笔者从Google最近的一篇论文《The Geometric Occam's Razor Implicit in Deep Learning》学习到了两者的一个不等式，算是部分地回答了这个问题，并且感觉以后可能用得上，在此做个笔记。

最终结果

假设有一个$l$层的MLP模型，记为
\begin{equation}\boldsymbol{h}^{(t+1)} = g^{(t)}(\boldsymbol{W}^{(t)}\boldsymbol{h}^{(t)}+\boldsymbol{b}^{(t)})\end{equation}
其中$g^{(t)}$是当前层的激活函数，$t\in\{1,2,\cdots,l\}$，并记$\boldsymbol{h}^{(1)}$为$\boldsymbol{x}$，即模型的原始输入，为了方便后面的推导，我们记$\boldsymbol{z}^{(t+1)}=\boldsymbol{W}^{(t)}\boldsymbol{h}^{(t)}+\boldsymbol{b}^{(t)}$；参数全体为$\boldsymbol{\theta}=\{\boldsymbol{W}^{(1)},\boldsymbol{b}^{(1)},\boldsymbol{W}^{(2)},\boldsymbol{b}^{(2)},\cdots,\boldsymbol{W}^{(l)},\boldsymbol{b}^{(l)}\}$。设$f$是$\boldsymbol{h}^{(l+1)}$的任意标量函数，那么成立不等式
\begin{equation}\Vert\nabla_{\boldsymbol{x}} f\Vert^2\left(\frac{1 + \Vert \boldsymbol{h}^{(1)}\Vert^2}{\Vert\boldsymbol{W}^{(1)}\Vert^2 \Vert\nabla_{\boldsymbol{x}}\boldsymbol{h}^{(1)}\Vert^2}+\cdots+\frac{1 + \Vert \boldsymbol{h}^{(l)}\Vert^2}{\Vert\boldsymbol{W}^{(l)}\Vert^2 \Vert\nabla_{\boldsymbol{x}}\boldsymbol{h}^{(l)}\Vert^2}\right)\leq \Vert\nabla_{\boldsymbol{\theta}} f\Vert^2\label{eq:f}\end{equation}

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在机器学习中，我们经常会碰到不光滑的函数，但我们的优化方法通常是基于梯度的，这意味着光滑的模型可能更利于优化（梯度是连续的），所以就有了寻找非光滑函数的光滑近似的需求。事实上，本博客已经多次讨论过相关主题，比如《寻求一个光滑的最大值函数》、《函数光滑化杂谈：不可导函数的可导逼近》等，但以往的讨论在方法上并没有什么通用性。

不过，笔者从最近的一篇论文《SAU: Smooth activation function using convolution with approximate identities》学习到了一种比较通用的思路：用狄拉克函数来构造光滑近似。通用到什么程度呢？理论上有可数个间断点的函数都可以用它来构造光滑近似！个人感觉还是非常有意思的。

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上一篇文章中，我们比较详细地介绍了Johnson-Lindenstrauss引理（JL引理）的理论推导，这一篇我们来关注它的应用。

作为一个内容上本身就跟降维相关的结论，JL引理最基本的自然就是作为一个降维方法来用。但除了这个直接应用外，很多看似不相关的算法，比如局部敏感哈希（LSH）、随机SVD等，本质上也依赖于JL引理。此外，对于机器学习模型来说，JL引理通常还能为我们的维度选择提供一些理论解释。

降维的工具

JL引理提供了一个非常简单直接的“随机投影”降维思路：

给定$N$个向量$v_1,v_2,\cdots,v_N\in\mathbb{R}^m$，如果想要将它降到$n$维，那么只需要从$\mathcal{N}(0,1/n)$中采样一个$n\times m$矩阵$A$，然后$Av_1,Av_2,\cdots,Av_N$就是降维后的结果。

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今天我们来学习Johnson-Lindenstrauss引理，由于名字比较长，下面都简称“JL引理”。

个人认为，JL引理是每一个计算机科学的同学都必须了解的神奇结论之一，它是一个关于降维的著名的结果，它也是高维空间中众多反直觉的“维度灾难”现象的经典例子之一。可以说，JL引理是机器学习中各种降维、Hash等技术的理论基础，此外，在现代机器学习中，JL引理也为我们理解、调试模型维度等相关参数提供了重要的理论支撑。

对数的维度

JL引理，可以非常通俗地表达为：

通俗版JL引理： 塞下$N$个向量，只需要$\mathcal{O}(\log N)$维空间。

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前几天在训练一个新的Transformer模型的时候，发现怎么训都不收敛了。经过一番debug，发现是在做Self Attention的时候$\boldsymbol{Q}\boldsymbol{K}^{\top}$之后忘记除以$\sqrt{d}$了，于是重新温习了一下为什么除以$\sqrt{d}$如此重要的原因。当然，Google的T5确实是没有除以$\sqrt{d}$的，但它依然能够正常收敛，那是因为它在初始化策略上做了些调整，所以这个事情还跟初始化有关。

藉着这个机会，本文跟大家一起梳理一下模型的初始化、参数化和标准化等内容，相关讨论将主要以Transformer为心中展开。

采样分布

初始化自然是随机采样的的，所以这里先介绍一下常用的采样分布。一般情况下，我们都是从指定均值和方差的随机分布中进行采样来初始化。其中常用的随机分布有三个：正态分布（Normal）、均匀分布（Uniform）和截尾正态分布（Truncated Normal）。

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