科学空间|Scientific Spaces

前几天在群里大家讨论到了“Transformer如何解决梯度消失”这个问题，答案有提到残差的，也有提到LN（Layer Norm）的。这些是否都是正确答案呢？事实上这是一个非常有趣而综合的问题，它其实关联到挺多模型细节，比如“BERT为什么要warmup？”、“BERT的初始化标准差为什么是0.02？”、“BERT做MLM预测之前为什么还要多加一层Dense？”，等等。本文就来集中讨论一下这些问题。

梯度消失说的是什么意思？

在文章《也来谈谈RNN的梯度消失/爆炸问题》中，我们曾讨论过RNN的梯度消失问题。事实上，一般模型的梯度消失现象也是类似，它指的是（主要是在模型的初始阶段）越靠近输入的层梯度越小，趋于零甚至等于零，而我们主要用的是基于梯度的优化器，所以梯度消失意味着我们没有很好的信号去调整优化前面的层。

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当前，WGAN主流的实现方式包括参数裁剪（Weight Clipping）、谱归一化（Spectral Normalization）、梯度惩罚（Gradient Penalty），本来则来介绍一种新的实现方案：梯度归一化（Gradient Normalization），该方案出自两篇有意思的论文，分别是《Gradient Normalization for Generative Adversarial Networks》和《GraN-GAN: Piecewise Gradient Normalization for Generative Adversarial Networks》。

有意思在什么地方呢？从标题可以看到，这两篇论文应该是高度重合的，甚至应该是同一作者的。但事实上，这是两篇不同团队的、大致是同一时期的论文，一篇中了ICCV，一篇中了WACV，它们基于同样的假设推出了几乎一样的解决方案，内容重合度之高让我一直以为是同一篇论文。果然是巧合无处不在啊～

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Dropout是经典的防止过拟合的思路了，想必很多读者已经了解过它。有意思的是，最近Dropout有点“老树发新芽”的感觉，出现了一些有趣的新玩法，比如最近引起过热议的SimCSE和R-Drop，尤其是在文章《又是Dropout两次！这次它做到了有监督任务的SOTA》中，我们发现简单的R-Drop甚至能媲美对抗训练，不得不说让人意外。

一般来说，Dropout是被加在每一层的输出中，或者是加在模型参数上，这是Dropout的两个经典用法。不过，最近笔者从论文《Raise a Child in Large Language Model: Towards Effective and Generalizable Fine-tuning》中学到了一种新颖的用法：加到梯度上面。

梯度加上Dropout？相信大部分读者都是没听说过的。那么效果究竟如何呢？让我们来详细看看。

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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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当前Transformer架构用的最多的注意力机制，全称为“Scaled Dot-Product Attention”，其中“Scaled”是因为在$Q,K$转置相乘之后还要除以一个$\sqrt{d}$再做Softmax（下面均不失一般性地假设$Q,K,V\in\mathbb{R}^{n\times d}$）：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{QK^{\top}}{\sqrt{d}}\right)V\label{eq:std}\end{equation}

在《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》中，我们已经初步解释了除以$\sqrt{d}$的缘由。而在这篇文章中，笔者将从“熵不变性”的角度来理解这个缩放操作，并且得到一个新的缩放因子。在MLM的实验显示，新的缩放因子具有更好的长度外推性能。

熵不变性

我们将一般的Scaled Dot-Product Attention改写成
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \sum_{j=1}^n a_{i,j}\boldsymbol{v}_j,\quad a_{i,j}=\frac{e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}{\sum\limits_{j=1}^n e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}\end{equation}
其中$\lambda$是缩放因子，它跟$\boldsymbol{q}_i,\boldsymbol{k}_j$无关，但原则上可以跟长度$n$、维度$d$等参数有关，目前主流的就是$\lambda=1/\sqrt{d}$。

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学习句向量的方案大致上可以分为无监督和有监督两大类，其中有监督句向量比较主流的方案是Facebook提出的“InferSent”，而后的“Sentence-BERT”进一步在BERT上肯定了它的有效性。然而，不管是InferSent还是Sentence-BERT，它们在理论上依然相当令人迷惑，因为它们虽然有效，但存在训练和预测不一致的问题，而如果直接优化预测目标cos值，效果往往特别差。

最近，笔者再次思考了这个问题，经过近一周的分析和实验，大致上确定了InferSent有效以及直接优化cos值无效的原因，并提出了一个优化cos值的新方案CoSENT（Cosine Sentence）。实验显示，CoSENT在收敛速度和最终效果上普遍都比InferSent和Sentence-BERT要好。

朴素思路

本文的场景是利用文本匹配的标注数据来构建句向量模型，其中所利用到的标注数据是常见的句子对样本，即每条样本是“(句子1, 句子2, 标签)”的格式，它们又大致上可以分类“是非类型”、“NLI类型”、“打分类型”三种，参考《用开源的人工标注数据来增强RoFormer-Sim》中的“分门别类”一节。

失效的Cos

简单起见，我们可以先只考虑“是非类型”的数据，即“(句子1, 句子2, 是否相似)”的样本。假设两个句子经过编码模型后分别得到向量$u,v$，由于检索阶段计算的是余弦相似度$\cos(u,v)=\frac{\langle u,v\rangle}{\Vert u\Vert \Vert v\Vert}$，所以比较自然的想法是设计基于$\cos(u,v)$的损失函数，比如
\begin{align}t\cdot (1 - \cos(u, v)) + (1 - t) \cdot (1 + \cos(u,v))\label{eq:cos-1}\\
t\cdot (1 - \cos(u, v))^2 + (1 - t) \cdot \cos^2(u,v)\label{eq:cos-2}
\end{align}

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一般来说，文本匹配有交互式（Interaction-based）和特征式（Representation-based）两种实现方案，其中交互式是指将两个文本拼接在一起当成单文本进行分类，而特征式则是指两个句子分别由编码器编码为句向量后再做简单的融合处理（算cos值或者接一个浅层网络）。通常的结论是，交互式由于使得两个文本能够进行充分的比较，所以它准确性通常较好，但明显的缺点是在检索场景的效率较差；而特征式则可以提前计算并缓存好句向量，所以它有着较高的效率，但由于句子间的交互程度较浅，所以通常效果不如交互式。

上一篇文章笔者介绍了CoSENT，它本质上也是一种特征式方案，并且相比以往的特征式方案效果有所提高。于是笔者的好胜心就上来了：CoSENT能比得过交互式吗？特征式相比交互式的差距有多远呢？本文就来做个比较。

自动阈值

在文章《CoSENT（一）：比Sentence-BERT更有效的句向量方案》中，我们评测CoSENT所用的指标是Spearman系数，它是一个只依赖于预测结果相对顺序的指标，不依赖于阈值，比较适合检索场景的评测。但如果评测指标是accuracy或者F1这些分类指标，则必须确定一个阈值，将预测结果大于这个数的预测结果视为正、小于则为负，然后才能计算指标。在二分类的场景，我们用二分法就可以有效地确定这个阈值。

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在《多任务学习漫谈（一）：以损失之名》中，我们从损失函数的角度初步探讨了多任务学习问题，最终发现如果想要结果同时具有缩放不变性和平移不变性，那么用梯度的模长倒数作为任务的权重是一个比较简单的选择。我们继而分析了，该设计等价于将每个任务的梯度单独进行归一化后再相加，这意味着多任务的“战场”从损失函数转移到了梯度之上：看似在设计损失函数，实则在设计更好的梯度，所谓“以损失之名，行梯度之事”。

那么，更好的梯度有什么标准呢？如何设计出更好的梯度呢？本文我们就从梯度的视角来理解多任务学习，试图直接从设计梯度的思路出发构建多任务学习算法。

整体思路

我们知道，对于单任务学习，常用的优化方法就是梯度下降，那么它是怎么推导的呢？同样的思路能不能直接用于多任务学习呢？这便是这一节要回答的问题。

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