科学空间|Scientific Spaces

一般来说，神经网络的输出都是无约束的，也就是值域为$\mathbb{R}$，而为了得到有约束的输出，通常是采用加激活函数的方式。例如，如果我们想要输出一个概率分布来代表每个类别的概率，那么通常在最后加上Softmax作为激活函数。那么一个紧接着的疑问就是：除了Softmax，还有什么别的操作能生成一个概率分布吗？

在《漫谈重参数：从正态分布到Gumbel Softmax》中，我们介绍了Softmax的重参数操作，本文将这个过程反过来，即先定义重参数操作，然后去反推对应的概率分布，从而得到一个理解概率分布构建的新视角。

问题定义

假设模型的输出向量为$\boldsymbol{\mu}=[\mu_1,\cdots,\mu_n]\in\mathbb{R}^n$，不失一般性，这里假设$\mu_i$两两不等。我们希望通过某个变换$\mathcal{T}$将$\boldsymbol{\mu}$转换为$n$元概率分布$\boldsymbol{p}=[p_1,\cdots,p_n]$，并保持一定的性质。比如，最基本的要求是：
\begin{equation}{\color{red}1.}\,p_i\geq 0 \qquad {\color{red}2.}\,\sum_i p_i = 1 \qquad {\color{red}3.}\,p_i \geq p_j \Leftrightarrow \mu_i \geq \mu_j\end{equation}

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这几天网上热传了一道“四鸭共半圆”题目：

四鸭共半圆问题

可能有不少读者看到后也尝试做过，就连李永乐老师也专门开了一节课讲这道题（参考《圆形水池四只鸭子在同一个半圆里，概率有多大？》）。就这道题目本身而言，答案并不算困难，可以有很多方法算出来。稍微有难度的是它的推广版本，也就是本文标题所描述的，将鸭子的数目一般化为$n$只，将半圆一般化为圆心角为$\theta$的扇形。更有趣的是，当$\theta \leq \pi$时，依然有比较初等的解法，但是当$\theta > \pi$后，复杂度开始“剧增”...

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在《“闭门造车”之多模态思路浅谈（一）：无损输入》中我们曾提到，图像生成的本质困难是没有一个连续型概率密度的万能拟合器。当然，也不能说完全没有，比如高斯混合模型（GMM）理论上就是可以拟合任意概率密度，就连GAN本质上也可以理解为混合了无限个高斯模型的GMM。然而，GMM尽管理论上的能力是足够的，但它的最大似然估计会很困难，尤其是通常不适用基于梯度的优化器，这限制了它的使用场景。

近日，Google的一篇新论文《Fourier Basis Density Model》针对一维情形，提出了一个新的解决方案——用傅里叶级数来拟合。论文的分析过程颇为有趣，构造形式也很是巧妙，值得学习一番。

问题简述

可能有读者质疑：只研究一维情形有什么价值？确实，如果只考虑图像生成场景，那可能真的价值有限，但一维概率密度估计本身有它的应用价值，如数据的有损压缩，所以它依然是一个值得研究的主题。再者，即便我们需要研究多维的概率密度，也可以通过自回归的方式转化为多个一维的条件概率密度来估计。最后，这个分析和构造过程本身就很值得回味，所以哪怕是仅仅作为一道数学分析题来练习也是相当有益的。

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不论是在基础的分类任务中，还是如今无处不在的注意力机制中，概率分布的构建都是一个关键步骤。具体来说，就是将一个$n$维的任意向量，转换为一个$n$元的离散型概率分布。众所周知，这个问题的标准答案是Softmax，它是指数归一化的形式，相对来说比较简单直观，同时也伴有很多优良性质，从而成为大部分场景下的“标配”。

尽管如此，Softmax在某些场景下也有一些不如人意之处，比如不够稀疏、无法绝对等于零等，因此很多替代品也应运而生。在这篇文章中，我们将简单总结一下Softmax的相关性质，并盘点和对比一下它的部分替代方案。

Softmax回顾

首先引入一些通用记号：$\boldsymbol{x} = (x_1,x_2,\cdots,x_n)\in\mathbb{R}^n$是需要转为概率分布的$n$维向量，它的分量可正可负，也没有限定的上下界。$\Delta^{n-1}$定义为全体$n$元离散概率分布的集合，即
\begin{equation}\Delta^{n-1} = \left\{\boldsymbol{p}=(p_1,p_2,\cdots,p_n)\left|\, p_1,p_2,\cdots,p_n\geq 0,\sum_{i=1}^n p_i = 1\right.\right\}\end{equation}
之所以标注$n-1$而不是$n$，是因为约束$\sum\limits_{i=1}^n p_i = 1$定义了$n$维空间中的一个$n-1$维子平面，再加上$p_i\geq 0$的约束，$(p_1,p_2,\cdots,p_n)$的集合就只是该平面的一个子集，即实际维度只有$n-1$。

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当要求函数的最小值时，我们通常会先求导函数然后寻找其零点，比较幸运的情况下，这些零点之一正好是原函数的最小值点。如果是向量函数，则将导数改为梯度并求其零点。当梯度零点不易求得时，我们可以使用梯度下降来逐渐逼近最小值点。

以上这些都是无约束优化的基础结果，相信不少读者都有所了解。然而，本文的主题是概率空间中的优化，即目标函数的输入是一个概率分布，这类目标的优化更为复杂，因为它的搜索空间不再是无约束的，如果我们依旧去求解梯度零点或者执行梯度下降，所得结果未必能保证是一个概率分布。因此，我们需要寻找一种新的分析和计算方法，以确保优化结果能够符合概率分布的特性。

对此，笔者一直以来也感到颇为头疼，所以近来决定”痛定思痛“，针对概率分布的优化问题系统学习了一番，最后将学习所得整理在此，供大家参考。

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去年的时候，有幸得到网友提供的一批腾讯验证码样本，因此也研究了一下，过程记录在《端到端的腾讯验证码识别（46%正确率）》中。

后来，这篇文章引起了不少读者的兴趣，有求样本的，有求模型的，有一起讨论的，让我比较意外。事实上，原来的模型做得比较粗糙，尤其是准确率难登大雅之台，参考价值不大。这几天重新折腾了一下，弄了个准确率高一点的模型，同时也把样本公开给大家。

模型的思路跟《端到端的腾讯验证码识别（46%正确率）》是一样的，只不过把CNN部分换成了现成的Xception结构，当然，读者也可以换VGG、Resnet50等玩玩，事实上对验证码识别来说，这些模型都能够胜任。我挑选Xception，是因为它层数不多，模型权重也较小，我比较喜欢而已。

代码

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baidu_jingsai

前两年百度的大数据竞赛都是自然语言处理方面的，今年画风一转，变成了图像的细颗粒度分类，赛题内容就是将宠物狗归为100类中的其中一类。这个任务本身是很平凡的，做法也很常规，无外乎就是数据扩增、imagenet模型的fine tune、模型集成三个方面。笔者并不擅长于模型集成，只做了前面两个步骤，成绩也非常一般（准确率80%上下）。但感觉里边的某些代码可能对读者有帮助，遂共享一翻。下面结合着代码来讲解。

比赛官网（随时有失效的可能）：http://js.baidu.com

模型

模型主要用tensorflow+keras实现。首先自然是导入各种模块

#! -*- coding:utf-8 -*-

import numpy as np
from scipy import misc
import tensorflow as tf
from keras.applications.xception import Xception,preprocess_input
from keras.layers import Input,Dense,Lambda,Embedding
from keras.layers.merge import multiply
from keras import backend as K
from keras.models import Model
from keras.optimizers import SGD
from tqdm import tqdm
import glob
np.random.seed(2017)
tf.set_random_seed(2017)

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在有监督的机器学习中，经常会说到训练集（train)、验证集（validation）和测试集（test），这三个集合的区分可能会让人糊涂，特别是，有些读者搞不清楚验证集和测试集有什么区别。

划分

如果我们自己已经有了一个大的标注数据集，想要完成一个有监督模型的测试，那么通常使用均匀随机抽样的方式，将数据集划分为训练集、验证集、测试集，这三个集合不能有交集，常见的比例是8:1:1，当然比例是人为的。从这个角度来看，三个集合都是同分布的。

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