科学空间|Scientific Spaces

前言：去年写过一篇WGAN-GP的入门读物《互怼的艺术：从零直达WGAN-GP》，提到通过梯度惩罚来为WGAN的判别器增加Lipschitz约束（下面简称“L约束”）。前几天遐想时再次想到了WGAN，总觉得WGAN的梯度惩罚不够优雅，后来也听说WGAN在条件生成时很难搞（因为不同类的随机插值就开始乱了...），所以就想琢磨一下能不能搞出个新的方案来给判别器增加L约束。

闭门造车想了几天，然后发现想出来的东西别人都已经做了，果然是只有你想不到，没有别人做不到。主要包含在这两篇论文中：《Spectral Norm Regularization for Improving the Generalizability of Deep Learning》和《Spectral Normalization for Generative Adversarial Networks》。

所以这篇文章就按照自己的理解思路，对L约束相关的内容进行简单的介绍。注意本文的主题是L约束，并不只是WGAN。它可以用在生成模型中，也可以用在一般的监督学习中。

L约束与泛化

扰动敏感

记输入为$x$，输出为$y$，模型为$f$，模型参数为$w$，记为
$$\begin{equation}y = f_w(x)\end{equation}$$
很多时候，我们希望得到一个“稳健”的模型。何为稳健？一般来说有两种含义，一是对于参数扰动的稳定性，比如模型变成了$f_{w+\Delta w}(x)$后是否还能达到相近的效果？如果在动力学系统中，还要考虑模型最终是否能恢复到$f_w(x)$；二是对于输入扰动的稳定性，比如输入从$x$变成了$x+\Delta x$后，$f_w(x+\Delta x)$是否能给出相近的预测结果。读者或许已经听说过深度学习模型存在“对抗攻击样本”，比如图片只改变一个像素就给出完全不一样的分类结果，这就是模型对输入过于敏感的案例。

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这篇文章简单列举一下我认为最近这段时间中比较重要的GAN进展论文，这基本也是我在学习GAN的过程中主要去研究的论文清单。

生成模型之味

GAN是一个大坑，尤其像我这样的业余玩家，一头扎进去很久也很难有什么产出，尤其是各个大公司拼算力搞出来一个个大模型，个人几乎都没法玩了。但我总觉得，真的去碰了生成模型，才觉得自己碰到了真正的机器学习。这一点，不管在图像中还是文本中都是如此。所以，我还是愿意去关注生成模型。

当然，GAN不是生成模型的唯一选择，却是一个非常有趣的选择。在图像中至少有GAN、flow、pixelrnn/pixelcnn这几种选择，但要说潜力，我还是觉得GAN才是最具前景的，不单是因为效果，主要是因为它那对抗的思想。而在文本中，事实上seq2seq机制就是一个概率生成模型了，而pixelrnn这类模型，实际上就是模仿着seq2seq来做的，当然也有用GAN做文本生成的研究（不过基本上都涉及到了强化学习）。也就是说，其实在NLP中，生成模型也有很多成果，哪怕你主要是研究NLP的，也终将碰到生成模型。

好了，话不多说，还是赶紧把清单列一列，供大家参考，也作为自己的备忘。

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高举“让Keras更酷一些！”大旗，让Keras无限可能～

今天我们会用Keras做到两件很重要的事情：分层设置学习率和灵活操作梯度。

首先是分层设置学习率，这个用途很明显，比如我们在fine tune已有模型的时候，有些时候我们会固定一些层，但有时候我们又不想固定它，而是想要它以比其他层更低的学习率去更新，这个需求就是分层设置学习率了。对于在Keras中分层设置学习率，网上也有一定的探讨，结论都是要通过重写优化器来实现。显然这种方法不论在实现上还是使用上都不友好。

然后是操作梯度。操作梯度一个最直接的例子是梯度裁剪，也就是把梯度控制在某个范围内，Keras内置了这个方法。但是Keras内置的是全局的梯度裁剪，假如我要给每个梯度设置不同的裁剪方式呢？甚至我有其他的操作梯度的思路，那要怎么实施呢？不会又是重写优化器吧？

本文就来为上述问题给出尽可能简单的解决方案。

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本文的主题是“为什么我们需要有限的学习率”，所谓“有限”，指的是不大也不小，适中即可，太大容易导致算法发散，这不难理解，但为什么太小也不好呢？一个容易理解的答案是，学习率过小需要迭代的步数过多，这是一种没有必要的浪费，因此从“节能”和“加速”的角度来看，我们不用过小的学习率。但如果不考虑算力和时间，那么过小的学习率是否可取呢？Google最近发布在Arxiv上的论文《Implicit Gradient Regularization》试图回答了这个问题，它指出有限的学习率隐式地给优化过程带来了梯度惩罚项，而这个梯度惩罚项对于提高泛化性能是有帮助的，因此哪怕不考虑算力和时间等因素，也不应该用过小的学习率。

对于梯度惩罚，本博客已有过多次讨论，在文章《对抗训练浅谈：意义、方法和思考（附Keras实现）》和《泛化性乱弹：从随机噪声、梯度惩罚到虚拟对抗训练》中，我们就分析了对抗训练一定程度上等价于对输入的梯度惩罚，而文章《我们真的需要把训练集的损失降低到零吗？》介绍的Flooding技巧则相当于对参数的梯度惩罚。总的来说，不管是对输入还是对参数的梯度惩罚，都对提高泛化能力有一定帮助。

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在之前的文章《用时间换取效果：Keras梯度累积优化器》中，我们介绍过“梯度累积”，它是在有限显存下实现大batch_size效果的一种技巧。一般来说，梯度累积适用的是loss是独立同分布的场景，换言之每个样本单独计算loss，然后总loss是所有单个loss的平均或求和。然而，并不是所有任务都满足这个条件的，比如最近比较热门的对比学习，每个样本的loss还跟其他样本有关。

那么，在对比学习场景，我们还可以使用梯度累积来达到大batch_size的效果吗？本文就来分析这个问题。

简介

一般情况下，对比学习的loss可以写为
\begin{equation}\mathcal{L}=-\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}\log p_{i,j} = -\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}\log \frac{e^{s_{i,j}}}{\sum\limits_j e^{s_{i,j}}}=-\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}s_{i,j} + \sum_{i=1}^b \log\sum_{j=1}^b e^{s_{i,j}}\label{eq:loss}\end{equation}
这里的$b$是batch_size；$t_{i,j}$是事先给定的标签，满足$t_{i,j}=t_{j,i}$，它是一个one hot矩阵，每一列只有一个1，其余都为0；而$s_{i,j}$是样本$i$和样本$j$的相似度，满足$s_{i,j}=s_{j,i}$，一般情况下还有个温度参数，这里假设温度参数已经整合到$s_{i,j}$中，从而简化记号。模型参数存在于$s_{i,j}$中，假设为$\theta$。

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自SimCLR在视觉无监督学习大放异彩以来，对比学习逐渐在CV乃至NLP中流行了起来，相关研究和工作越来越多。标准的对比学习的一个广为人知的缺点是需要比较大的batch_size（SimCLR在batch_size=4096时效果最佳），小batch_size的时候效果会明显降低，为此，后续工作的改进方向之一就是降低对大batch_size的依赖。那么，一个很自然的问题是：标准的对比学习在小batch_size时效果差的原因究竟是什么呢？

近日，一篇名为《Simpler, Faster, Stronger: Breaking The log-K Curse On Contrastive Learners With FlatNCE》对此问题作出了回答：因为浮点误差。看起来真的很让人难以置信，但论文的分析确实颇有道理，并且所提出的改进FlatNCE确实也工作得更好，让人不得不信服。

细微之处

接下来，笔者将按照自己的理解和记号来介绍原论文的主要内容。对比学习（Contrastive Learning）就不帮大家详细复习了，大体上来说，对于某个样本$x$，我们需要构建$K$个配对样本$y_1,y_2,\cdots,y_K$，其中$y_t$是正样本而其余都是负样本，然后分别给每个样本对$(x, y_i)$打分，分别记为$s_1,s_2,\cdots,s_K$，对比学习希望拉大正负样本对的得分差，通常直接用交叉熵作为损失：
\begin{equation}-\log \frac{e^{s_t}}{\sum\limits_i e^{s_i}} = \log \left(\sum_i e^{s_i}\right) - s_t = \log \left(1 + \sum_{i\neq t} e^{s_i - s_t}\right)\end{equation}

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LoRA（Low-Rank Adaptation）是当前LLM的参数高效微调手段之一，此前我们在《梯度视角下的LoRA：简介、分析、猜测及推广》也有过简单讨论。这篇文章我们来学习LoRA的一个新结论：

给LoRA的两个矩阵分配不同的学习率，LoRA的效果还能进一步提升。

该结论出自最近的论文《LoRA+: Efficient Low Rank Adaptation of Large Models》（下称“LoRA+”）。咋看之下，该结论似乎没有什么特别的，因为配置不同的学习率相当于引入了新的超参数，通常来说只要引入并精调超参数都会有提升。“LoRA+”的特别之处在于，它从理论角度肯定了这个必要性，并且断定最优解必然是右矩阵的学习率大于左矩阵的学习率。简而言之，“LoRA+”称得上是理论指导训练并且在实践中确实有效的经典例子，值得仔细学习一番。

结论简析

假设预训练参数为$W_0 \in \mathbb{R}^{n\times m}$，如果使用全量参数微调，那么增量也是一个$n\times m$矩阵。为了降低参数量，LoRA将更新量约束为低秩矩阵，即设$W=W_0 + AB$，其中$A\in\mathbb{R}^{n\times r},B\in\mathbb{R}^{r\times m}$以及有$r\ll \min(n,m)$，用新的$W$替换模型原有参数，然后固定$W_0$不变，训练的时候只更新$A,B$，如下图所示：
$$\style{display: inline-block; width: 24ex; padding: 10ex 0; border: 1px solid #6C8EBF; background-color: #DAE8FC}{W_0\in\mathbb{R}^{n\times m}} \quad + \quad \style{display: inline-block; width: 8ex; padding: 10ex 0; border: 1px solid #D79B00; background-color: #FFE6CC}{A\in\mathbb{R}^{n\times r}}\quad\times\quad \style{display: inline-block; width: 24ex; padding: 3ex 0; border: 1px solid #D79B00; background-color: #FFE6CC}{B\in\mathbb{R}^{r\times m}}$$

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随着算力的飞速进步，有越多越多的场景希望能够实现“算力换时间”，即通过堆砌算力来缩短模型训练时间。理想情况下，我们希望投入$n$倍的算力，那么达到同样效果的时间则缩短为$1/n$，此时总的算力成本是一致的。这个“希望”看上去很合理和自然，但实际上并不平凡，即便我们不考虑通信之类的瓶颈，当算力超过一定规模或者模型小于一定规模时，增加算力往往只能增大Batch Size。然而，增大Batch Size一定可以缩短训练时间并保持效果不变吗？

这就是接下来我们要讨论的话题：当Batch Size增大时，各种超参数尤其是学习率该如何调整，才能保持原本的训练效果并最大化训练效率？我们也可以称之为Batch Size与学习率之间的Scaling Law。

方差视角

直觉上，当Batch Size增大时，每个Batch的梯度将会更准，所以步子就可以迈大一点，也就是增大学习率，以求更快达到终点，缩短训练时间，这一点大体上都能想到。问题就是，增大多少才是最合适的呢？

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