科学空间|Scientific Spaces

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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2019.08.20更新：开源了一个Keras版（https://kexue.fm/archives/6906）

早在年初的《Attention is All You Need》的介绍文章中就已经承诺过会分享CNN在NLP中的使用心得，然而一直不得其便。这几天终于下定决心来整理一下相关的内容了。

背景

事不宜迟，先来介绍一下模型的基本情况。

模型特点

本模型——我称之为DGCNN——是基于CNN和简单的Attention的模型，由于没有用到RNN结构，因此速度相当快，而且是专门为这种WebQA式的任务定制的，因此也相当轻量级。SQUAD排行榜前面的模型，如AoA、R-Net等，都用到了RNN，并且还伴有比较复杂的注意力交互机制，而这些东西在DGCNN中基本都没有出现。

这是一个在GTX1060上都可以几个小时训练完成的模型！

截止到2018.04.14的排行榜

DGCNN，全名为Dilate Gated Convolutional Neural Network，即“膨胀门卷积神经网络”，顾名思义，融合了两个比较新的卷积用法：膨胀卷积、门卷积，并增加了一些人工特征和trick，最终使得模型在轻、快的基础上达到最佳的效果。在本文撰写之时，本文要介绍的模型还位于榜首，得分（得分是准确率与F1的平均）为0.7583，而且是到目前为止唯一一个一直没有跌出前三名、并且获得周冠军次数最多的模型。

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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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在本文，我们介绍“套路宝典”第一式——“当机立断”：1、导出平均字信息熵的概念，然后基于最小熵原理推导出互信息公式；2、并且完成词库的无监督构建、给出一元分词模型的信息熵诠释，从而展示有关生成套路、识别套路的基本方法和技巧。

这既是最小熵原理的第一个使用案例，也是整个“套路宝典”的总纲。

你练或者不练，套路就在那里，不增不减。

为什么需要词语

从上一篇文章可以看到，假设我们根本不懂中文，那么我们一开始会将中文看成是一系列“字”随机组合的字符串，但是慢慢地我们会发现上下文是有联系的，它并不是“字”的随机组合，它应该是“套路”的随机组合。于是为了减轻我们的记忆成本，我们会去挖掘一些语言的“套路”。第一个“套路”，是相邻的字之间的组合定式，这些组合定式，也就是我们理解的“词”。

平均字信息熵

假如有一批语料，我们将它分好词，以词作为中文的单位，那么每个词的信息量是$-\log p_w$，因此我们就可以计算记忆这批语料所要花费的时间为
$$-\sum_{w\in \text{语料}}\log p_w\tag{2.1}$$
这里$w\in \text{语料}$是对语料逐词求和，不用去重。如果不分词，按照字来理解，那么需要的时间为
$$-\sum_{c\in \text{语料}}\log p_c\tag{2.2}$$

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在前一文《最小熵原理（二）：“当机立断”之词库构建》中，我们以最小熵原理为出发点进行了一系列的数学推导，最终得到$(2.15)$和$(2.17)$式，它告诉我们两个互信息比较大的元素我们应该将它们合并起来，这有利于降低“学习难度”。于是利用这一原理，我们通过邻字互信息来实现了词库的无监督生成。

由字到词、由词到词组，考察的是相邻的元素能不能合并成一个好“套路”。可是套路为什么非得要相邻的呢？当然不一定相邻，我们学习语言的时候，不仅仅会学习到词语、词组，还要学习到“固定搭配”，也就是说词语怎么运用才是合理的，这是语法的体现，是本文所要探究的，希望最终能达到一定的无监督句法分析的效果。

由于这次我们考虑的是跨邻词的语言关联，因此我给它起个名字为“飞象过河”，正是

“套路宝典”第二式——“飞象过河”

语言结构

对于大多数人来说，并不会真正知道什么是语法，他们脑海里就只有一些“固定搭配”、“定式”，或者更正式一点可以叫“模版”。大多数情况下，我们是根据模版来说出合理的话来。而不同的人的说话模版可能有所不同，这就是个人的说话风格，甚至是“口头禅”。

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说到噪声对比估计，或者“负采样”，大家可能立马就想到了Word2Vec。事实上，它的含义远不止于此，噪音对比估计（NCE, Noise Contrastive Estimation）是一个迂回但却异常精美的技巧，它使得我们在没法直接完成归一化因子（也叫配分函数）的计算时，就能够去估算出概率分布的参数。本文就让我们来欣赏一下NCE的曲径通幽般的美妙。

注：由于出发点不同，本文所介绍的“噪声对比估计”实际上更偏向于所谓的“负采样”技巧，但两者本质上是一样的，在此不作区分。

问题起源

问题的根源是难分难舍的指数概率分布～

指数族分布

在很多问题中都会出现指数族分布，即对于某个变量$\boldsymbol{x}$的概率$p(\boldsymbol{x})$，我们将其写成
$$p(\boldsymbol{x}) = \frac{e^{G(\boldsymbol{x})}}{Z}\tag{1}$$
其中$G(\boldsymbol{x})$是$\boldsymbol{x}$的某个“能量”函数，而$Z=\sum_{\boldsymbol{x}} e^{G(\boldsymbol{x})}$则是归一化常数，也叫配分函数。这种分布也称为“玻尔兹曼分布”。

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本来笔者已经决心不玩RNN了，但是在上个星期思考时忽然意识到RNN实际上对应了ODE（常微分方程）的数值解法，这为我一直以来想做的事情——用深度学习来解决一些纯数学问题——提供了思路。事实上这是一个颇为有趣和有用的结果，遂介绍一翻。顺便地，本文也涉及到了自己动手编写RNN的内容，所以本文也可以作为编写自定义的RNN层的一个简单教程。

注：本文并非前段时间的热点“神经ODE”的介绍（但有一定的联系）。

RNN基本

什么是RNN？

众所周知，RNN是“循环神经网络（Recurrent Neural Network）”，跟CNN不同，RNN可以说是一类模型的总称，而并非单个模型。简单来讲，只要是输入向量序列$(\boldsymbol{x}_1,\boldsymbol{x}_2,\dots,\boldsymbol{x}_T)$，输出另外一个向量序列$(\boldsymbol{y}_1,\boldsymbol{y}_2,\dots,\boldsymbol{y}_T)$，并且满足如下递归关系
$$\boldsymbol{y}_t=f(\boldsymbol{y}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t, t)\tag{1}$$
的模型，都可以称为RNN。也正因为如此，原始的朴素RNN，还有改进的如GRU、LSTM、SRU等模型，我们都称为RNN，因为它们都可以作为上式的一个特例。还有一些看上去与RNN没关的内容，比如前不久介绍的CRF的分母的计算，实际上也是一个简单的RNN。

说白了，RNN其实就是递归计算。

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搞计算机视觉的朋友会知道，AM-Softmax是人脸识别中的成果。所以这篇文章就是借鉴人脸识别的做法来做句子相似度模型，顺便介绍在Keras下各种margin loss的写法。

背景

细想之下会发现，句子相似度与人脸识别有很多的相似之处～

已有的做法

在我搜索到的资料中，深度学习做句子相似度模型，就只有两种做法：一是输入一对句子，然后输出一个0/1标签代表相似程度，也就是视为一个二分类问题，比如《Learning Text Similarity with Siamese Recurrent Networks》中的模型是这样的

将句子相似度视为二分类模型

包括今年拍拍贷的“魔镜杯”，也是这种格式。另外一种做法是输入一个三元组“（句子A，跟A相似的句子，跟A不相似的句子）”，然后用triplet loss的做法解决，比如文章《Applying Deep Learning To Answer Selection: A Study And An Open Task》中的做法。

这两种做法其实也可以看成是一种，本质上是一样的，只不过loss和训练方法有所差别。但是，这两种方法却都有一个很严重的问题：负样本采样严重不足，导致效果提升非常慢。

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