科学空间|Scientific Spaces

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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在本系列的前面几篇文章中，我们已经从多个角度来理解了VAE，一般来说，用VAE是为了得到一个生成模型，或者是做更好的编码模型，这都是VAE的常规用途。但除了这些常规应用外，还有一些“小众需求”，比如用来估计$x$的概率密度，这在做压缩的时候通常会用到。

本文就从估计概率密度的角度来了解和推导一下VAE模型。

两个问题

所谓估计概率密度，就是在已知样本$x_1,x_2,\cdots,x_N\sim \tilde{p}(x)$的情况下，用一个待定的概率密度簇$q_{\theta}(x)$去拟合这批样本，拟合的目标一般是最小化负对数似然：
\begin{equation}\mathbb{E}_{x\sim \tilde{p}(x)}[-\log q_{\theta}(x)] = -\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N \log q_{\theta}(x_i)\label{eq:mle}\end{equation}

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在上一篇文章《生成扩散模型漫谈（七）：最优扩散方差估计（上）》中，我们介绍并推导了Analytic-DPM中的扩散模型最优方差估计结果，它是直接给出了已经训练好的生成扩散模型的最优方差的一个解析估计，实验显示该估计结果确实能有效提高扩散模型的生成质量。

这篇文章我们继续介绍Analytic-DPM的升级版，出自同一作者团队的论文《Estimating the Optimal Covariance with Imperfect Mean in Diffusion Probabilistic Models》，在官方Github中被称为“Extended-Analytic-DPM”，下面我们也用这个称呼。

结果回顾

上一篇文章是在DDIM的基础上，推出DDIM的生成过程最优方差应该是
\begin{equation}\sigma_t^2 + \gamma_t^2\bar{\sigma}_t^2\end{equation}
其中$\bar{\sigma}_t^2$是分布$p(\boldsymbol{x}_0|\boldsymbol{x}_t)$的方差，它有如下的估计结果（这里取“方差估计2”的结果）：
\begin{equation}\bar{\sigma}_t^2 = \frac{\bar{\beta}_t^2}{\bar{\alpha}_t^2}\left(1 - \frac{1}{d}\mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_t\sim p(\boldsymbol{x}_t)}\left[ \Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t, t)\Vert^2\right]\right)\label{eq:basic}\end{equation}

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《非线性泛函分析及其应用,第3卷,变分法及最优化》

本篇文章是《自然极值》系列最后一篇文章，估计也是2010年最后一篇文章了。在这个美好的2010年，想必大家一定收获匪浅，BoJone也在2010年成长了很多。在2010年的尾声，BoJone和科学空间都祝大家在新的一年里更加开心快乐，在科学的道路上更快速地前行。

在本文，BoJone将与大家讨论求极值的最基本原理。这一探讨思路受到了天才的费恩曼所著《费恩曼物理讲义》的启迪。我们分别对函数求极值（求导）和泛函数极值（变分）进行一些简略的分析。

一、函数求极值

对于一个函数$y=f(x)$，设想它在$x=x_0$处取到最大值，那么显然对于很小的增量$\Delta x$，有
$$f(x_0+\Delta x) \leq f(x_0)\tag{3}$$根据泰勒级数，我们有
$f(x_0+\Delta x)=f(x_0)+f'(x_0)\Delta x$————(4)

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PS：本文就是梳理了梯度下降与EM算法的关系，通过同一种思路，推导了普通的梯度下降法、pLSA中的EM算法、K-Means中的EM算法，以此表明它们基本都是同一个东西的不同方面，所谓“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”罢了。

在机器学习中，通常都会将我们所要求解的问题表示为一个带有未知参数的损失函数(Loss)，如平均平方误差（MSE），然后想办法求解这个函数的最小值，来得到最佳的参数值，从而完成建模。因将函数乘以-1后，最大值也就变成了最小值，因此一律归为最小值来说。如何求函数的最小值，在机器学习领域里，一般会流传两个大的方向：1、梯度下降；2、EM算法，也就是最大期望算法，一般用于复杂的最大似然问题的求解。

在通常的教程中，会将这两个方法描述得迥然不同，就像两大体系在分庭抗礼那样，而EM算法更是被描述得玄乎其玄的感觉。但事实上，这两个方法，都是同一个思路的不同例子而已，所谓“本是同根生”，它们就是一脉相承的东西。

让我们，先从远古的牛顿法谈起。

牛顿迭代法

给定一个复杂的非线性函数$f(x)$，希望求它的最小值，我们一般可以这样做，假定它足够光滑，那么它的最小值也就是它的极小值点，满足$f'(x_0)=0$，然后可以转化为求方程$f'(x)=0$的根了。非线性方程的根我们有个牛顿法，所以
\begin{equation}x_{n+1} = x_{n} - \frac{f'(x_n)}{f''(x_n)}\end{equation}

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前言：我小学开始就喜欢纯数学，后来也喜欢上物理，还学习过一段时间的理论物理，直到本科毕业时，我才慢慢进入机器学习领域。所以，哪怕在机器学习领域中，我的研究习惯还保留着数学和物理的风格：企图从最少的原理出发，理解、推导尽可能多的东西。这篇文章是我这个理念的结果之一，试图以变分推断作为出发点，来统一地理解深度学习中的各种模型，尤其是各种让人眼花缭乱的GAN。本文已经挂到arxiv上，需要读英文原稿的可以移步到《Variational Inference: A Unified Framework of Generative Models and Some Revelations》。

下面是文章的介绍。其实，中文版的信息可能还比英文版要稍微丰富一些，原谅我这蹩脚的英语...

摘要：本文从一种新的视角阐述了变分推断，并证明了EM算法、VAE、GAN、AAE、ALI(BiGAN)都可以作为变分推断的某个特例。其中，论文也表明了标准的GAN的优化目标是不完备的，这可以解释为什么GAN的训练需要谨慎地选择各个超参数。最后，文中给出了一个可以改善这种不完备性的正则项，实验表明该正则项能增强GAN训练的稳定性。

近年来，深度生成模型，尤其是GAN，取得了巨大的成功。现在我们已经可以找到数十个乃至上百个GAN的变种。然而，其中的大部分都是凭着经验改进的，鲜有比较完备的理论指导。

本文的目标是通过变分推断来给这些生成模型建立一个统一的框架。首先，本文先介绍了变分推断的一个新形式，这个新形式其实在博客以前的文章中就已经介绍过，它可以让我们在几行字之内导出变分自编码器（VAE）和EM算法。然后，利用这个新形式，我们能直接导出GAN，并且发现标准GAN的loss实则是不完备的，缺少了一个正则项。如果没有这个正则项，我们就需要谨慎地调整超参数，才能使得模型收敛。

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源起

前几天写了博文《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》，从一种比较通俗的观点来理解变分自编码器（VAE），在那篇文章的视角中，VAE跟普通的自编码器差别不大，无非是多加了噪声并对噪声做了约束。然而，当初我想要弄懂VAE的初衷，是想看看究竟贝叶斯学派的概率图模型究竟是如何与深度学习结合来发挥作用的，如果仅仅是得到一个通俗的理解，那显然是不够的。

所以我对VAE继续思考了几天，试图用更一般的、概率化的语言来把VAE说清楚。事实上，这种思考也能回答通俗理解中无法解答的问题，比如重构损失用MSE好还是交叉熵好、重构损失和KL损失应该怎么平衡，等等。

建议在阅读《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》后对本文进行阅读，本文在内容上尽量不与前文重复。

准备

在进入对VAE的描述之前，我觉得有必要把一些概念性的内容讲一下。

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话说我觉得我自己最近写文章都喜欢长篇大论了，而且扎堆地来～之前连续写了三篇关于Capsule的介绍，这次轮到VAE了，本文是VAE的第三篇探索，说不准还会有第四篇～不管怎么样，数量不重要，重要的是能把问题都想清楚。尤其是对于VAE这种新奇的建模思维来说，更加值得细细地抠。

这次我们要关心的一个问题是：VAE为什么能成？

估计看VAE的读者都会经历这么几个阶段。第一个阶段是刚读了VAE的介绍，然后云里雾里的，感觉像自编码器又不像自编码器的，反复啃了几遍文字并看了源码之后才知道大概是怎么回事；第二个阶段就是在第一个阶段的基础上，再去细读VAE的原理，诸如隐变量模型、KL散度、变分推断等等，细细看下去，发现虽然折腾来折腾去，最终居然都能看明白了。

这时候读者可能就进入第三个阶段了。在这个阶段中，我们会有诸多疑问，尤其是可行性的疑问：“为什么它这样反复折腾，最终出来模型是可行的？我也有很多想法呀，为什么我的想法就不行？”

前文之要

让我们再不厌其烦地回顾一下前面关于VAE的一些原理。

VAE希望通过隐变量分解来描述数据$X$的分布
$$p(x)=\int p(x|z)p(z)dz,\quad p(x,z) = p(x|z)p(z)\tag{1}$$

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