科学空间|Scientific Spaces

自SimCLR以来，CV中关于无监督特征学习的工作层出不穷，让人眼花缭乱。这些工作大多数都是基于对比学习的，即通过适当的方式构造正负样本进行分类学习的。然而，在众多类似的工作中总有一些特立独行的研究，比如Google的BYOL和最近的SimSiam，它们提出了单靠正样本就可以完成特征学习的方案，让人觉得耳目一新。但是没有负样本的支撑，模型怎么不会退化（坍缩）为一个没有意义的常数模型呢？这便是这两篇论文最值得让人思考和回味的问题了。

其中SimSiam给出了让很多人都点赞的答案，但笔者觉得SimSiam也只是把问题换了种说法，并没有真的解决这个问题。笔者认为，像SimSiam、GAN等模型的成功，很重要的原因是使用了基于梯度的优化器（而非其他更强或者更弱的优化器），所以不结合优化动力学的答案都是不完整的。在这里，笔者尝试结合动力学来分析SimSiam不会退化的原因。

SimSiam

在看SimSiam之前，我们可以先看看BYOL，来自论文《Bootstrap your own latent: A new approach to self-supervised Learning》，其学习过程很简单，就是维护两个编码器Student和Teacher，其中Teacher是Student的滑动平均，Student则又反过来向Teacher学习，有种“左脚踩右脚”就可以飞起来的感觉。示意图如下：

BYOL示意图

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最近一段时间入了水族的坑，整了个60cm×40cm的超白缸来玩，主要是龟鱼共养。个人比较追求自然仿生，所以希望能在缸里建立一个相对稳定的仿生态环境。当然，其实这都是借口，根本原因是懒得换水，也不想洗过滤棉，所以就想着依靠生态系统自身的净化能力来延长换水时间。为此，参考网上的资料搞了个同程底滤，并且根据自己的经验做了一些修改。

生态缸-俯视图

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大家都知道，目前的主流的BERT模型最多能处理512个token的文本。导致这一瓶颈的根本原因是BERT使用了从随机初始化训练出来的绝对位置编码，一般的最大位置设为了512，因此顶多只能处理512个token，多出来的部分就没有位置编码可用了。当然，还有一个重要的原因是Attention的$\mathcal{O}(n^2)$复杂度，导致长序列时显存用量大大增加，一般显卡也finetune不了。

位置编码的层次分解示意图

本文主要面向前一个原因，即假设有足够多的显存前提下，如何简单修改当前最大长度为512的BERT模型，使得它可以直接处理更长的文本，主要思路是层次分解已经训练好的绝对位置编码，使得它可以延拓到更长的位置。

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Attention机制的$\mathcal{O}(n^2)$复杂度是一个老大难问题了，改变这一复杂度的思路主要有两种：一是走稀疏化的思路，比如我们以往介绍过的Sparse Attention以及Google前几个月搞出来的Big Bird，等等；二是走线性化的思路，这部分工作我们之前总结在《线性Attention的探索：Attention必须有个Softmax吗？》中，读者可以翻看一下。本文则介绍一项新的改进工作Performer，出自Google的文章《Rethinking Attention with Performers》，它的目标相当霸气：通过随机投影，在不损失精度的情况下，将Attention的复杂度线性化。

各个Transformer模型的“效果-速度-显存”图，纵轴是效果，横轴是速度，圆圈的大小代表所需要的显存。理论上来说，越靠近右上方的模型越好，圆圈越小的模型越好

说直接点，就是理想情况下我们可以不用重新训练模型，输出结果也不会有明显变化，但是复杂度降到了$\mathcal{O}(n)$！看起来真的是“天上掉馅饼”般的改进了，真的有这么美好吗？

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刚看到一个有意思的结论：

对于任意实数$x$及偶数$n$，总有$\sum\limits_{k=0}^n \frac{x^k}{k!} > 0$，即$e^x$在$x=0$处的偶次泰勒展开式总是正的。

下面我们来看一下这个结论的证明，以及它在寻找softmax替代品中的应用。

证明过程

看上去这是一个很强的结果，证明会不会很复杂？其实证明非常简单，记
\begin{equation}f_n(x) = \sum\limits_{k=0}^n \frac{x^k}{k!}\end{equation}
当$n$是偶数时，我们有$\lim\limits_{x\to\pm\infty} f_n(x)=+\infty$，即整体是开口向上的，所以我们只需要证明它的最小值大于0就行了，又因为它是一个光滑连续的多项式函数，所以最小值点必然是某个极小值点。那么换个角度想，我们只需要证明它所有的极值点（不管是极大还是极小）所对应的函数值都大于0。

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相信不少读者这几天都看到了清华大学与智源人工智能研究院一起搞的“清源计划”（相关链接《中文版GPT-3来了？智源研究院发布清源 CPM —— 以中文为核心的大规模预训练模型》），里边开源了目前最大的中文GPT2模型CPM-LM（26亿参数），据说未来还会开源200亿甚至1000亿参数的模型，要打造“中文界的GPT3”。

官方给出的CPM-LM的Few Shot效果演示图

我们知道，GPT3不需要finetune就可以实现Few Shot，而目前CPM-LM的演示例子中，Few Shot的效果也是相当不错的，让人跃跃欲试，笔者也不例外。既然要尝试，肯定要将它适配到自己的bert4keras中才顺手，于是适配工作便开始了。本以为这是一件很轻松的事情，谁知道踩坑踩了快3天才把它搞好，在此把踩坑与测试的过程稍微记录一下。

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尽管Transformer类的模型已经攻占了NLP的多数领域，但诸如LSTM、GRU之类的RNN模型依然在某些场景下有它的独特价值，所以RNN依然是值得我们好好学习的模型。而对于RNN梯度的相关分析，则是一个从优化角度思考分析模型的优秀例子，值得大家仔细琢磨理解。君不见，诸如“LSTM为什么能解决梯度消失/爆炸”等问题依然是目前流行的面试题之一...

经典的LSTM

关于此类问题，已有不少网友做出过回答，然而笔者查找了一些文章（包括知乎上的部分回答、专栏以及经典的英文博客），发现没有找到比较好的答案：有些推导记号本身就混乱不堪，有些论述过程没有突出重点，整体而言感觉不够清晰自洽。为此，笔者也尝试给出自己的理解，供大家参考。

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中国象棋

不知道读者有没有看过量子位年初的文章《最强写作AI竟然学会象棋和作曲，语言模型跨界操作引热议，在线求战》，里边提到有网友用GPT2模型训练了一个下国际象棋的模型。笔者一直在想，这么有趣的事情怎么可以没有中文版呢？对于国际象棋来说，其中文版自然就是中国象棋了，于是我一直有想着把它的结果在中国象棋上面复现一下。拖了大半年，在最近几天终于把这个事情完成了，在此跟大家分享一下。

象棋谱式
将军不离九宫内，士止相随不出官。
象飞四方营四角，马行一步一尖冲。
炮须隔子打一子，车行直路任西东。
唯卒只能行一步，过河横进退无踪。

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