科学空间|Scientific Spaces

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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SamplePairing和mixup是两种一脉相承的图像数据扩增手段，它们看起来很不合理，而操作则非常简单，但结果却非常漂亮：在多个图像分类任务中都表明它们能提高最终分类模型的精度。

某些读者会困惑于一个问题：为什么如此不合理的数据扩增手段，能得到如此好的效果？而本文则要表明，它们看起来是一种数据扩增方法，事实上它们是对模型的一种正则化方案。正如周星驰的电影《国产凌凌漆》的一句经典台词：

表面上看这是一个吹风机，其实它是一个刮胡刀。

数据扩增

让我们从数据扩增说起。数据扩增是指我们在对原始数据做一些简单的变换后，它们对应的类别往往不会变化，所以我们可以在原来数据的基础上，“造”出更多的数据来。比如一幅小狗的照片，将它水平翻转、轻微的旋转、裁剪、平移等操作后，我们认为它的类别没有变化，它还是原来的那只狗。这样一来，从一个样本我们可以衍生出好几个样本，从而增加了训练样本量。

狗

旋转的狗

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几年前，笔者曾经以自己对矩阵的粗浅理解写了一个“理解矩阵”系列，其中有一篇《为什么只有方阵有行列式？》讨论了非方阵的行列式问题，里边给出了“非方针的行列式不好看”和“方阵的行列式就够了”的观点。本文来再次思考这个问题。

首先回顾方阵的行列式，其实行列式最重要的价值在于它的几何意义：

n维方阵的行列式的绝对值，等于它的各个行（或列）向量所张成的n维立体的超体积。

这个几何意义是行列式的一切重要性的源头，相关的讨论可以参考《行列式的点滴》，它也是我们讨论非方阵行列式的基础。

分析

对于方阵$\boldsymbol{A}_{n\times n}$来说，可以将它看成$n$个行向量的组合，也可以看成$n$个列向量的组合，不管是哪一种，行列式的绝对值都等于这$n$个向量所张成的$n$维立体的超体积。换句话说，对于方阵来说，行、列向量的区分不改变行列式。

对于非方阵$\boldsymbol{B}_{n \times k}$就不一样了，不失一般性，假设$n > k$。我们可以将它看成$n$个$k$维行向量的组合，也可以看成$k$个$n$维列向量的组合。非方针的行列式，应该也具有同样含义，即它们所张成的立体的超体积。

我们来看第一种情况，如果看成$n$个$k$维行向量，那么就得视为这$n$个向量张成的$n$维体的超体积了，但是要注意$n > k$，因此这$n$个向量必然线性相关，因此它们根本就张不成一个$n$维体，也许是一个$n-1$维体甚至更低，这样一来，它的$n$维体的超体积自然为0。

但是第二种情况就没有那么平凡了。如果看成$k$个$n$维列向量，那么这$k$个向量虽然是$n$维的，但它们张成的是一个$k$维体，这$k$维体的超体积未必为0。我们就以这个非平凡的体积作为非方阵行列式的定义好了。

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在这个系列中，我们尝试从能量的视角理解GAN。我们会发现这个视角如此美妙和直观，甚至让人拍案叫绝。

上一篇文章里，我们给出了一个直白而用力的能量图景，这个图景可以让我们轻松理解GAN的很多内容，换句话说，通俗的解释已经能让我们完成大部分的理解了，并且把最终的结论都已经写了出来。在这篇文章中，我们继续从能量的视角理解GAN，这一次，我们争取把前面简单直白的描述，用相对严密的数学语言推导一遍。

跟第一篇文章一样，对于笔者来说，这个推导过程依然直接受启发于Bengio团队的新作《Maximum Entropy Generators for Energy-Based Models》。

原作者的开源实现：https://github.com/ritheshkumar95/energy_based_generative_models

本文的大致内容如下：

1、推导了能量分布下的正负相对抗的更新公式；

2、比较了理论分析与实验采样的区别，而将两者结合便得到了GAN框架；

3、导出了生成器的补充loss，理论上可以防止mode collapse；

4、简单提及了基于能量函数的MCMC采样。

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这是一篇“散文”，我们来谈一下有着千丝万缕联系的三个东西：变分自编码器、信息瓶颈、正态分布。

众所周知，变分自编码器是一个很经典的生成模型，但实际上它有着超越生成模型的含义；而对于信息瓶颈，大家也许相对陌生一些，然而事实上信息瓶颈在去年也热闹了一阵子；至于正态分布，那就不用说了，它几乎跟所有机器学习领域都有或多或少的联系。

那么，当它们三个碰撞在一块时，又有什么样的故事可说呢？它们跟“遗忘”又有什么关系呢？

变分自编码器

在本博客你可以搜索到若干几篇介绍VAE的文章。下面简单回顾一下。

理论形式回顾

简单来说，VAE的优化目标是：
\begin{equation}KL(\tilde{p}(x)p(z|x)\Vert q(z)q(x|z))=\iint \tilde{p}(x)p(z|x)\log \frac{\tilde{p}(x)p(z|x)}{q(x|z)q(z)} dzdx\end{equation}
其中$q(z)$是标准正态分布，$p(z|x),q(x|z)$是条件正态分布，分别对应编码器、解码器。具体细节可以参考《变分自编码器（二）：从贝叶斯观点出发》。

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从第一篇看下来到这里，我们知道所谓“最小熵原理”就是致力于降低学习成本，试图用最小的成本完成同样的事情。所以整个系列就是一个“偷懒攻略”。那偷懒的秘诀是什么呢？答案是“套路”，所以本系列又称为“套路宝典”。

本篇我们介绍图书馆里边的套路。

先抛出一个问题：词向量出现在什么时候？是2013年Mikolov的Word2Vec？还是是2003年Bengio大神的神经语言模型？都不是，其实词向量可以追溯到千年以前，在那古老的图书馆中...

图书馆一角（图片来源于百度搜索）

走进图书馆

图书馆里有词向量？还是千年以前？在哪本书？我去借来看看。

放书的套路

其实不是哪本书，而是放书的套路。

很明显，图书馆中书的摆放是有“套路”的：它们不是随机摆放的，而是分门别类地放置的，比如数学类放一个区，文学类放一个区，计算机类也放一个区；同一个类也有很多子类，比如数学类中，数学分析放一个子区，代数放一个子区，几何放一个子区，等等。读者是否思考过，为什么要这么分类放置？分类放置有什么好处？跟最小熵又有什么关系？

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最近把优化算法跟动力学结合起来思考得越来越起劲了，这是优化算法与动力学系列的第三篇，我有预感还会有第4篇，敬请期待～

简单来个剧情回顾：第一篇中我们指出了其实SGD相当于常微分方程（ODE）的数值解法：欧拉法；第二篇我们还是数值解法的误差分析的角度，分析了为什么可以通过梯度来调节学习率，因此也就解释了RMSprop、Adam等算法中，用梯度调节学习率的原理。

本文将给出一个更统一的观点来看待这两个事情，并且试图回答一个更本质的问题：为什么是梯度下降？

（注：本文的讨论没有涉及到动量加速部分。）

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“看那挖坑的人，有啥不一样～”

在这个系列中，我们尝试从能量的视角理解GAN。我们会发现这个视角如此美妙和直观，甚至让人拍案叫绝。

本视角直接受启发于Benjio团队的新作《Maximum Entropy Generators for Energy-Based Models》，这篇文章前几天出现在arxiv上。当然，能量模型与GAN的联系由来已久，并不是这篇文章的独创，只不过这篇文章做得仔细和完善一些。另外本文还补充了自己的一些理解和思考上去，力求更为易懂和完整。

作为第一篇文章，我们先来给出一个直白的类比推导：GAN实际上就是一场前仆后继（前挖后跳？）的“挖坑”与“跳坑”之旅～

总的来说，本文的大致内容如下：

1、给出了GAN/WGAN的清晰直观的能量图像；

2、讨论了判别器（能量函数）的训练情况和策略；

3、指出了梯度惩罚一个非常漂亮而直观的能量解释；

4、讨论了GAN中优化器的选择问题。

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