科学空间|Scientific Spaces

本文封装了一个比较完整的Word2Vec，其模型部分使用tensorflow实现。本文的目的并非只是再造一次Word2Vec这个轮子，而是通过这个例子来熟悉tensorflow的写法，并且测试笔者设计的一种新的softmax loss的效果，为后面研究语言模型的工作做准备。

不同的地方

Word2Vec的基本的数学原理，请移步到《【不可思议的Word2Vec】 1.数学原理》一文查看。本文的主要模型还是CBOW或者Skip-Gram，但在loss设计上有所不同。本文还是使用了完整的softmax结构，而不是huffmax softmax或者负采样方案，但是在训练softmax时，使用了基于随机负采样的交叉熵作为loss。这种loss与已有的nce_loss和sampled_softmax_loss都不一样，这里姑且命名为random softmax loss。

另外，在softmax结构中，一般是$\text{softmax}(Wx+b)$这样的形式，考虑到$W$矩阵的形状事实上跟词向量矩阵的形状是一样的，因此本文考虑了softmax层与词向量层共享权重的模型（这时候直接让$b$为0），这种模型等效于原有的Word2Vec的负采样方案，也类似于glove词向量的词共现矩阵分解，但由于使用了交叉熵损失，理论上收敛更快，而且训练结果依然具有softmax的预测概率意义（相比之下，已有的Word2Vec负样本模型训练完之后，最后模型的输出值是没有意义的，只有词向量是有意义的。）。同时，由于共享了参数，因此词向量的更新更为充分，读者不妨多多测试这种方案。

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前言

GAN，全称Generative Adversarial Nets，中文名是生成对抗式网络。对于GAN来说，最通俗的解释就是“伪造者-鉴别者”的解释，如艺术画的伪造者和鉴别者。一开始伪造者和鉴别者的水平都不高，但是鉴别者还是比较容易鉴别出伪造者伪造出来的艺术画。但随着伪造者对伪造技术的学习后，其伪造的艺术画会让鉴别者识别错误；或者随着鉴别者对鉴别技术的学习后，能够很简单的鉴别出伪造者伪造的艺术画。这是一个双方不断学习技术，以达到最高的伪造和鉴别水平的过程。 然而，稍微深入了解的读者就会发现，跟现实中的造假者不同，造假者会与时俱进地使用新材料新技术来造假，而GAN最神奇而又让人困惑的地方是它能够将随机噪声映射为我们所希望的正样本，有噪声就有正样本，这不是无本生意吗，多划算～

另一个情况是，自从WGAN提出以来，基本上GAN的主流研究都已经变成了WGAN上去了，但WGAN的形式事实上已经跟“伪造者-鉴别者”差得比较远了。而且WGAN虽然最后的形式并不复杂，但是推导过程却用到了诸多复杂的数学，使得我无心研读原始论文。这迫使我要找从一条简明直观的线索来理解GAN。幸好，经过一段时间的思考，有点收获。

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主方程（master equation）是对随机过程进行建模的重要方法，它代表着马尔科夫过程的微分形式，我们的专业主要工具之一就是主方程，说宏大一点，量子力学和统计力学等也不外乎是主方程的一个特例。

然而，笔者阅读了几个著作，比如《统计物理现代教程》，还有我导师的《生物系统的随机动力学》，我发现这些著作对于主方程的推导都很模糊，他们在着力解释结果的意义，但并不说明结果的思想来源，因此其过程难以让人信服。而知乎上有人提问《如何理解马尔科夫过程的主方程的推导过程？》但没有得到很好的答案，也表明了这个事实。

马尔可夫过程

主方程是用来描述马尔科夫过程的，而马尔科夫过程可以理解为运动的无记忆性，说通俗点，就是下一刻的概率分布，只跟当前时刻有关，跟历史状态无关。用概率公式写出来就是（这里只考虑连续型概率，因此这里的$p$是概率密度）：
$$\begin{equation}\label{eq:maerkefu}p(x,\tau)=\int p(x,\tau|y,t) p(y,t) dy\end{equation}$$
这里的积分区域是全空间。这里的$p(x,\tau|y,t)$称为跃迁概率，即已经确定了$t$时刻来到了$y$位置后、在$\tau$时刻达到$x$的概率密度，这个式子的物理意义是很明显的，就不多做解释了。

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从条件概率到互信息

目前，词向量模型的原理基本都是词的上下文的分布可以揭示这个词的语义，就好比“看看你跟什么样的人交往，就知道你是什么样的人”，所以词向量模型的核心就是对上下文的关系进行建模。除了glove之外，几乎所有词向量模型都是在对条件概率$P(w|context)$进行建模，比如Word2Vec的skip gram模型就是对条件概率$P(w_2|w_1)$进行建模。但这个量其实是有些缺点的，首先它是不对称的，即$P(w_2|w_1)$不一定等于$P(w_1|w_2)$，这样我们在建模的时候，就要把上下文向量和目标向量区分开，它们不能在同一向量空间中；其次，它是有界的、归一化的量，这就意味着我们必须使用softmax等方法将它压缩归一，这造成了优化上的困难。

事实上，在NLP的世界里，有一个更加对称的量比单纯的$P(w_2|w_1)$更为重要，那就是
\[\frac{P(w_1,w_2)}{P(w_1)P(w_2)}=\frac{P(w_2|w_1)}{P(w_2)}\tag{1}\]
这个量的大概意思是“两个词真实碰面的概率是它们随机相遇的概率的多少倍”，如果它远远大于1，那么表明它们倾向于共同出现而不是随机组合的，当然如果它远远小于1，那就意味着它们俩是刻意回避对方的。这个量在NLP界是举足轻重的，我们暂且称它为“相关度“，当然，它的对数值更加出名，大名为点互信息（Pointwise Mutual Information，PMI）：
\[\text{PMI}(w_1,w_2)=\log \frac{P(w_1,w_2)}{P(w_1)P(w_2)}\tag{2}\]

有了上面的理论基础，我们认为，如果能直接对相关度进行建模，会比直接对条件概率$P(w_2|w_1)$建模更加合理，所以本文就围绕这个角度进行展开。在此之前，我们先进一步展示一下互信息本身的美妙性质。

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费曼 - 图片来自于百度百科

2018年5月11日，是费曼诞辰100周年。

首先看到这个信息，是昨晚凌晨在“京师物理”公众号上的《纪念费曼|费曼的十大贡献》一文。我本身也算是个费曼迷，不过我对这些生日生肖信息完全记不住，我比较深刻的是费曼的故事，包括科学的和生活的。

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今天介绍一篇比较经典的工作，作者命名为f-GAN，他在文章中给出了通过一般的$f$散度来构造一般的GAN的方案。可以毫不夸张地说，这论文就是一个GAN模型的“生产车间”，它一般化的囊括了很多GAN变种，并且可以启发我们快速地构建新的GAN变种（当然有没有价值是另一回事，但理论上是这样）。

局部变分

整篇文章对$f$散度的处理事实上在机器学习中被称为“局部变分方法”，它是一种非常经典且有用的估算技巧。事实上本文将会花大部分篇幅介绍这种估算技巧在$f$散度中的应用结果。至于GAN，只不过是这个结果的基本应用而已。

f散度

首先我们还是对$f$散度进行基本的介绍。所谓$f$散度，是KL散度的一般化：
$$\begin{equation}\mathcal{D}_f(P\Vert Q) = \int q(x) f\left(\frac{p(x)}{q(x)}\right)dx\label{eq:f-div}\end{equation}$$
注意，按照通用的约定写法，括号内是$p/q$而不是$q/p$，大家不要自然而言地根据KL散度的形式以为是$q/p$。

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金庸大师

金庸走了，享年94岁。

虽然说这些高龄大师们，不管是科学家还是文学家，他们在晚年基本上都不会有什么产出，过于理性的话会有“去了就去了，好像也没有什么损失”的感觉。然而，事实是大师的逝去总让我们有一种悲伤的震撼感，总让我们觉得似乎一个时代又逝去了。霍金是这样，金庸也是这样。

对于金老爷子来说，是一个武侠时代过去了，是一个江湖过去了。

飞雪连天射白鹿，笑书神侠倚碧鸳。

这个对联描述了金庸的14部作品，加上《越女剑》，就构成了他的15部武侠小说。金庸用这15部小说，描述了一个个活灵活现的江湖，不，说江湖好象都太小了，读完这15部作品，你会感觉他描述了整个中国几千年的历史、整个社会。

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开水白菜是一道非常经典的四川名菜，是国宴级别的菜肴。以前就写过科普《不求珍馐百味，但愿开水白菜》来介绍了开水白菜。

好吃的东西有很多，开水白菜让我惦记的，是它那精致到极致的追求，是那种锋芒不露的内敛。

刚才浏览视频时，发现了另一道类似的菜肴：瓜燕穗肚。而且它也是一道川菜～用猪肚仁切成麦穗的形状，用冬瓜做成燕窝的外形，配合跟开水白菜一样的上等清汤，就构成了瓜燕穗肚。

“瓜燕穗肚”截图（没有什么高清图，我是直接从下面视频里截图的）

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