科学空间|Scientific Spaces

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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在本博客中，已经多次讨论过梯度惩罚相关内容了。从形式上来看，梯度惩罚项分为两种，一种是关于输入的梯度惩罚$\Vert\nabla_{\boldsymbol{x}} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\Vert^2$，在《对抗训练浅谈：意义、方法和思考（附Keras实现）》、《泛化性乱弹：从随机噪声、梯度惩罚到虚拟对抗训练》等文章中我们讨论过，另一种则是关于参数的梯度惩罚$\Vert\nabla_{\boldsymbol{\theta}} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\Vert^2$，在《从动力学角度看优化算法（五）：为什么学习率不宜过小？》、《我们真的需要把训练集的损失降低到零吗？》等文章我们讨论过。

在相关文章中，两种梯度惩罚都声称有着提高模型泛化性能的能力，那么两者有没有什么联系呢？笔者从Google最近的一篇论文《The Geometric Occam's Razor Implicit in Deep Learning》学习到了两者的一个不等式，算是部分地回答了这个问题，并且感觉以后可能用得上，在此做个笔记。

最终结果

假设有一个$l$层的MLP模型，记为
\begin{equation}\boldsymbol{h}^{(t+1)} = g^{(t)}(\boldsymbol{W}^{(t)}\boldsymbol{h}^{(t)}+\boldsymbol{b}^{(t)})\end{equation}
其中$g^{(t)}$是当前层的激活函数，$t\in\{1,2,\cdots,l\}$，并记$\boldsymbol{h}^{(1)}$为$\boldsymbol{x}$，即模型的原始输入，为了方便后面的推导，我们记$\boldsymbol{z}^{(t+1)}=\boldsymbol{W}^{(t)}\boldsymbol{h}^{(t)}+\boldsymbol{b}^{(t)}$；参数全体为$\boldsymbol{\theta}=\{\boldsymbol{W}^{(1)},\boldsymbol{b}^{(1)},\boldsymbol{W}^{(2)},\boldsymbol{b}^{(2)},\cdots,\boldsymbol{W}^{(l)},\boldsymbol{b}^{(l)}\}$。设$f$是$\boldsymbol{h}^{(l+1)}$的任意标量函数，那么成立不等式
\begin{equation}\Vert\nabla_{\boldsymbol{x}} f\Vert^2\left(\frac{1 + \Vert \boldsymbol{h}^{(1)}\Vert^2}{\Vert\boldsymbol{W}^{(1)}\Vert^2 \Vert\nabla_{\boldsymbol{x}}\boldsymbol{h}^{(1)}\Vert^2}+\cdots+\frac{1 + \Vert \boldsymbol{h}^{(l)}\Vert^2}{\Vert\boldsymbol{W}^{(l)}\Vert^2 \Vert\nabla_{\boldsymbol{x}}\boldsymbol{h}^{(l)}\Vert^2}\right)\leq \Vert\nabla_{\boldsymbol{\theta}} f\Vert^2\label{eq:f}\end{equation}

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两年前，在《万能的seq2seq：基于seq2seq的阅读理解问答》和《“非自回归”也不差：基于MLM的阅读理解问答》中，我们在尝试过分别利用“Seq2Seq+前缀树”和“MLM+前缀树”的方式做抽取式阅读理解任务，并获得了不错的结果。而在去年的ICLR2021上，Facebook的论文《Autoregressive Entity Retrieval》同样利用“Seq2Seq+前缀树”的组合，在实体链接和文档检索上做到了效果与效率的“双赢”。

事实上，“Seq2Seq+前缀树”的组合理论上可以用到任意检索型任务中，堪称是检索任务的“新范式”。本文将再次回顾“Seq2Seq+前缀树”的思路，并用它来实现最近推出的KgCLUE知识图谱问答榜单的一个baseline。

本文baseline模型示意图

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多任务学习是一个很宽泛的命题，不同场景下多任务学习的目标不尽相同。在《多任务学习漫谈（一）：以损失之名》和《多任务学习漫谈（二）：行梯度之事》中，我们将多任务学习的目标理解为“做好每一个任务”，具体表现是“尽量平等地处理每一个任务”，我们可以称之为“平行型多任务学习”。然而，并不是所有多任务学习的目标都是如此，在很多场景下，我们主要还是想学好某一个主任务，其余任务都只是辅助，希望通过增加其他任务的学习来提升主任务的效果罢了，此类场景我们可以称为“主次型多任务学习”。

在这个背景下，如果还是沿用平行型多任务学习的“做好每一个任务”的学习方案，那么就可能会明显降低主任务的效果了。所以本文继续沿着“行梯度之事”的想法，探索主次型多任务学习的训练方案。

目标形式

在这篇文章中，我们假设读者已经阅读并且基本理解《多任务学习漫谈（二）：行梯度之事》里边的思想和方法，那么在梯度视角下，让某个损失函数保持下降的必要条件是更新量与其梯度夹角至少大于90度，这是贯穿全文的设计思想。

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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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说到Transformer无法处理超长序列的原因，大家的第一反应通常都是Self Attention的二次复杂度。但事实上，即便忽略算力限制，常规的Transformer也无法处理超长序列，因为它们的长度外推性（Length Extrapolation）并不好，具体表现为当输入序列明显超过训练长度时，模型的效果通常会严重下降。

尽管已有一些相关工作，但长度外推问题离实际解决还比较远。本文介绍笔者构思的一种参考方案，它可能是目前唯一一种可以用在生成模型上、具备全局依赖能力的长度外推方法。

方法回顾

长度外推，也称为长度泛化（Length Generalization），此前我们在《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》、《Transformer升级之路：8、长度外推性与位置鲁棒性》已经介绍过部分工作。然而，它们各有各的问题。

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前些天我们在《VQ一下Key，Transformer的复杂度就变成线性了》介绍了“Transformer-VQ”，这是通过将Key序列做VQ（Vector Quantize）变换来实现Attention复杂度线性化的方案。诚然，Transformer-VQ提供了标准Attention到线性Attentino的一个非常漂亮的过渡，给人一种“大道至简”的美感，但熟悉VQ的读者应该能感觉到，当编码表大小或者模型参数量进一步增加时，VQ很可能会成为效果提升的瓶颈，因为它通过STE（Straight-Through Estimator）估计的梯度大概率是次优的（FSQ的实验结果也算是提供了一些佐证）。此外，Transformer-VQ为了使训练效率也线性化所做的梯度截断，也可能成为将来的效果瓶颈之一。

为此，笔者花了一些时间思考可以替代掉VQ的线性化思路。从Transformer-VQ的$\exp\left(QC^{\top}\right)$形式中，笔者联想到了Performer，继而“顺藤摸瓜”地发现原来Performer可以视为Soft版的Transformer-VQ。进一步地，笔者尝试类比Performer的推导方法来重新导出Transformer-VQ，为其后的优化提供一些参考结果。

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Efficient Transformer，泛指一切致力于降低Transformer的二次复杂度的工作，开始特指针对Attention的改进，后来更一般的思路，如傅里叶变换、线性RNN等，也被归入这个范畴。不得不说，为了降低Transformer的二次复杂度，各路大牛可谓是“八仙过海，各显神通”，各种神奇的思路“百花齐放”，笔者也从中学习到了不少理论知识。然而，尽管Efficient Transformer在理论上是精彩的，但实际上该领域一直都是不愠不火的状态，并没有实际表现十分出色的模型，在LLM火爆的今天，甚至已经逐渐淡出了大家的视野，也淡出了笔者的兴趣范围。

不过，最近有一篇论文《Transformer-VQ: Linear-Time Transformers via Vector Quantization》，却让笔者为之拍案叫绝。作者非常高明地洞察到，只需要对标准Attention的Key做一下VQ（Vector Quantize），复杂度就会自动降低为线性！这种线性化思路保留了标准Attention的形式，是标准Attention到线性Attention的一个完美过渡，同时最大程度上保留了标准Attention的能力。

高效难题

说起来，本站也算是比较早关注Efficient Transformer相关工作了，最早可以追溯到2019年解读Sparse Transformer的一篇博客《为节约而生：从标准Attention到稀疏Attention》。此后，陆续写的关于Efficient Transformer的其他博文还有

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