科学空间|Scientific Spaces

前段时间公司组织技术分享，轮到笔者时，大家希望我讲讲VAE。鉴于之前笔者也写过变分自编码器系列，所以对笔者来说应该也不是特别难的事情，因此就答应了下来，后来仔细一想才觉得犯难：怎么讲才好呢？

变分自编码器示意图

对于VAE来说，之前笔者有两篇比较系统的介绍：《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》和《变分自编码器（二）：从贝叶斯观点出发》。后者是纯概率推导，对于不做理论研究的人来说其实没什么意义，也不一定能看得懂；前者虽然显浅一点，但也不妥，因为它是从生成模型的角度来讲的，并没有说清楚“为什么需要VAE”（说白了，VAE可以带来生成模型，但是VAE并不一定就为了生成模型），整体风格也不是特别友好。

笔者想了想，对于大多数不了解但是想用VAE的读者来说，他们应该只希望大概了解VAE的形式，然后想要知道“VAE有什么作用”、“VAE相比AE有什么区别”、“什么场景下需要VAE”等问题的答案，对于这种需求，上面两篇文章都无法很好地满足。于是笔者尝试构思了VAE的一种几何图景，试图从几何角度来描绘VAE的关键特性，在此也跟大家分享一下。

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提高模型的泛化性能是机器学习致力追求的目标之一。常见的提高泛化性的方法主要有两种：第一种是添加噪声，比如往输入添加高斯噪声、中间层增加Dropout以及进来比较热门的对抗训练等，对图像进行随机平移缩放等数据扩增手段某种意义上也属于此列；第二种是往loss里边添加正则项，比如$L_1, L_2$惩罚、梯度惩罚等。本文试图探索几种常见的提高泛化性能的手段的关联。

随机噪声

我们记模型为$f(x)$，$\mathcal{D}$为训练数据集合，$l(f(x), y)$为单个样本的loss，那么我们的优化目标是
\begin{equation}\mathop{\text{argmin}}_{\theta} L(\theta)=\mathbb{E}_{(x,y)\sim \mathcal{D}}[l(f(x), y)]\end{equation}
$\theta$是$f(x)$里边的可训练参数。假如往模型输入添加噪声$\varepsilon$，其分布为$q(\varepsilon)$，那么优化目标就变为
\begin{equation}\mathop{\text{argmin}}_{\theta} L_{\varepsilon}(\theta)=\mathbb{E}_{(x,y)\sim \mathcal{D}, \varepsilon\sim q(\varepsilon)}[l(f(x + \varepsilon), y)]\end{equation}
当然，可以添加噪声的地方不仅仅是输入，也可以是中间层，也可以是权重$\theta$，甚至可以是输出$y$（等价于标签平滑），噪声也不一定是加上去的，比如Dropout是乘上去的。对于加性噪声来说，$q(\varepsilon)$的常见选择是均值为0、方差固定的高斯分布；而对于乘性噪声来说，常见选择是均匀分布$U([0,1])$或者是伯努利分布。

添加随机噪声的目的很直观，就是希望模型能学会抵御一些随机扰动，从而降低对输入或者参数的敏感性，而降低了这种敏感性，通常意味着所得到的模型不再那么依赖训练集，所以有助于提高模型泛化性能。

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本文介绍来自MIT的一篇ICLR 2020满分论文《Why gradient clipping accelerates training: A theoretical justification for adaptivity》，顾名思义，这篇论文就是分析为什么梯度裁剪能加速深度学习的训练过程。原文很长，公式很多，还有不少研究复杂性的概念，说实话对笔者来说里边的大部分内容也是懵的，不过大概能捕捉到它的核心思想：引入了比常用的L约束更宽松的约束条件，从新的条件出发论证了梯度裁剪的必要性。本文就是来简明分析一下这个过程，供读者参考。

梯度裁剪

假设需要最小化的函数为$f(\theta)$，$\theta$就是优化参数，那么梯度下降的更新公式就是
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta-\eta \nabla_{\theta} f(\theta)\end{equation}
其中$\eta$就是学习率。而所谓梯度裁剪（gradient clipping），就是根据梯度的模长来对更新量做一个缩放，比如
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta- \eta \nabla_{\theta} f(\theta)\times \min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\label{eq:clip-1}\end{equation}
或者
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta- \eta \nabla_{\theta} f(\theta)\times \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert+\gamma}\label{eq:clip-2}\end{equation}
其中$\gamma > 0$是一个常数。这两种方式都被视为梯度裁剪，总的来说就是控制更新量的模长不超过一个常数，第二种形式也跟RMSProp等自适应学习率优化器相关。此外，更精确地，我们有下面的不等式
\begin{equation}\frac{1}{2}\min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\leq \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert+\gamma}\leq \min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\end{equation}
也就是说两者是可以相互控制的，所以其实两者基本是等价的。

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在Seq2Seq的解码过程中，我们是逐个token地递归生成的，直到出现<eos>标记为止，这就是所谓的“自回归”生成模型。然而，研究过Seq2Seq的读者应该都能发现，这种自回归的解码偶尔会出现“根本停不下来”的现象，主要是某个片段反复出现，比如“今天天气不错不错不错不错不错...”、“你觉得我说得对不对不对不对不对不对...”等等，但就是死活不出现<eos>标记。ICML 2020的文章《Consistency of a Recurrent Language Model With Respect to Incomplete Decoding》比较系统地讨论了这个现象，并提出了一些对策，本文来简单介绍一下论文的主要内容。

解码算法

对于自回归模型来说，我们建立的是如下的条件语言模型
\begin{equation}p(y_t|y_{\lt t}, x)\label{eq:p}\end{equation}
那么解码算法就是在已知上述模型时，给定$x$来输出对应的$y=(y_1,y_2,\dots,y_T)$来。解码算法大致可以分为两类：确定性解码算法和随机性解码算法，原论文分别针对这两类解码讨论来讨论了“根本停不下来”问题，所以我们需要来了解一下这两类解码算法。

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机器阅读理解任务，相比不少读者都有所了解了，简单来说就是从给定篇章中寻找给定问题的答案，即“篇章 + 问题 → 答案”这样的流程，笔者之前也写过一些关于阅读理解的文章，比如《基于CNN的阅读理解式问答模型：DGCNN》等。至于问答对构建，则相当于是阅读理解的反任务，即“篇章 → 答案 + 问题”的流程，学术上一般直接叫“问题生成（Question Generation）”，因为大多数情况下，答案可以通过比较规则的随机选择，所以很多文章都只关心“篇章 + 答案 → 问题”这一步。

本文将带来一次全端到端的“篇章 → 答案 + 问题”实践，包括模型介绍以及基于bert4keras的实现代码，欢迎读者尝试。

本文的问答生成模型示意图

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L2正则是机器学习常用的一种防止过拟合的方法（应该也是一道经常遇到的面试题）。简单来说，它就是希望权重的模长尽可能小一点，从而能抵御的扰动多一点，最终提高模型的泛化性能。但是读者可能也会发现，L2正则的表现通常没有理论上说的那么好，很多时候加了可能还有负作用。最近的一篇文章《Improve Generalization and Robustness of Neural Networks via Weight Scale Shifting Invariant Regularizations》从“权重尺度偏移”这个角度分析了L2正则的弊端，并提出了新的WEISSI正则项。整个分析过程颇有意思，在这里与大家分享一下。

相关内容

这一节中我们先简单回顾一下L2正则，然后介绍它与权重衰减的联系以及与之相关的AdamW优化器。

L2正则的理解

为什么要添加L2正则？这个问题可能有多个答案。有从Ridge回归角度回答的，有从贝叶斯推断角度回答的，这里给出从扰动敏感性的角度的理解。

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中国象棋

不知道读者有没有看过量子位年初的文章《最强写作AI竟然学会象棋和作曲，语言模型跨界操作引热议，在线求战》，里边提到有网友用GPT2模型训练了一个下国际象棋的模型。笔者一直在想，这么有趣的事情怎么可以没有中文版呢？对于国际象棋来说，其中文版自然就是中国象棋了，于是我一直有想着把它的结果在中国象棋上面复现一下。拖了大半年，在最近几天终于把这个事情完成了，在此跟大家分享一下。

象棋谱式
将军不离九宫内，士止相随不出官。
象飞四方营四角，马行一步一尖冲。
炮须隔子打一子，车行直路任西东。
唯卒只能行一步，过河横进退无踪。

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WGAN，即Wasserstein GAN，算是GAN史上一个比较重要的理论突破结果，它将GAN中两个概率分布的度量从f散度改为了Wasserstein距离，从而使得WGAN的训练过程更加稳定，而且生成质量通常也更好。Wasserstein距离跟最优传输相关，属于Integral Probability Metric（IPM）的一种，这类概率度量通常有着更优良的理论性质，因此WGAN的出现也吸引了很多人从最优传输和IPMs的角度来理解和研究GAN模型。

然而，最近Arxiv上的论文《Wasserstein GANs Work Because They Fail (to Approximate the Wasserstein Distance)》则指出，尽管WGAN是从Wasserstein GAN推导出来的，但是现在成功的WGAN并没有很好地近似Wasserstein距离，相反如果我们对Wasserstein距离做更好的近似，效果反而会变差。事实上，笔者一直以来也有这个疑惑，即Wasserstein距离本身并没有体现出它能提升GAN效果的必然性，该论文的结论则肯定了该疑惑，所以GAN能成功的原因依然很迷～

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