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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前两天刷到了Google的一篇论文《Step-size Adaptation Using Exponentiated Gradient Updates》，在其中学到了一些新的概念，所以在此记录分享一下。主要的内容有两个，一是非负优化的指数梯度下降，二是基于元学习思想的学习率调整算法，两者都颇有意思，有兴趣的读者也可以了解一下。

指数梯度下降

梯度下降大家可能听说得多了，指的是对于无约束函数$\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta})$的最小化，我们用如下格式进行更新：
$$\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{t+1} = \boldsymbol{\theta}_t - \eta\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta}_t)\end{equation}$$
其中$\eta$是学习率。然而很多任务并非总是无约束的，对于最简单的非负约束，我们可以改为如下格式更新：
$$\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{t+1} = \boldsymbol{\theta}_t \odot \exp\left(- \eta\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta}_t)\right)\label{eq:egd}\end{equation}$$
这里的$\odot$是逐位对应相乘（Hadamard积）。容易看到，只要初始化的$\boldsymbol{\theta}_0$是非负的，那么在整个更新过程中$\boldsymbol{\theta}_t$都会保持非负，这就是用于非负约束优化的“指数梯度下降”。

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众所周知，分类模型通常都是先得到编码向量，然后接一个Dense层预测每个类别的概率，而预测时则是输出概率最大的类别。但大家是否想过这样一种可能：训练好的分类模型可能存在“无法预测的类别”，即不管输入是什么，都不可能预测出某个类别$k$，类别$k$永远不可能成为概率最大的那个。

当然，这种情况一般只出现在类别数远远超过编码向量维度的场景，常规的分类问题很少这么极端的。然而，我们知道语言模型本质上也是一个分类模型，它的类别数也就是词表的总大小，往往是远超过向量维度的，那么我们的语言模型是否有“无法预测的词”？（只考虑Greedy解码）

是否存在

ACL2022的论文《Low-Rank Softmax Can Have Unargmaxable Classes in Theory but Rarely in Practice》首先探究了这个问题，正如其标题所言，答案是“理论上存在但实际出现概率很小”。

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$\text{logsumexp}$是机器学习经常遇到的运算，尤其是交叉熵的相关实现和推导中都会经常出现，同时它还是$\max$的光滑近似（参考《寻求一个光滑的最大值函数》）。设$x=(x_1,x_2,\cdots,x_n)$，$\text{logsumexp}$定义为
$$\begin{equation}\text{logsumexp}(x)=\log\sum_{i=1}^n e^{x_i}\end{equation}$$
本文来介绍$\text{logsumexp}$的几个在理论推导中可能用得到的不等式。

基本界

记$x_{\max} = \max(x_1,x_2,\cdots,x_n)$，那么显然有
$$\begin{equation}e^{x_{\max}} < \sum_{i=1}^n e^{x_i} \leq \sum_{i=1}^n e^{x_{\max}} = ne^{x_{\max}}\end{equation}$$
各端取对数即得
$$\begin{equation}x_{\max} < \text{logsumexp}(x) \leq x_{\max} + \log n\end{equation}$$

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在《你可能不需要BERT-flow：一个线性变换媲美BERT-flow》中，笔者提出了BERT-whitening，验证了一个线性变换就能媲美当时的SOTA方法BERT-flow。此外，BERT-whitening还可以对句向量进行降维，带来更低的内存占用和更快的检索速度。然而，在《无监督语义相似度哪家强？我们做了个比较全面的评测》中我们也发现，whitening操作并非总能带来提升，有些模型本身就很贴合任务（如经过有监督训练的SimBERT），那么额外的whitening操作往往会降低效果。

为了弥补这个不足，本文提出往BERT-whitening中引入了两个超参数，通过调节这两个超参数，我们几乎可以总是获得“降维不掉点”的结果。换句话说，即便是原来加上whitening后效果会下降的任务，如今也有机会在降维的同时获得相近甚至更好的效果了。

方法概要

目前BERT-whitening的流程是：
$$\begin{equation}\begin{aligned} \tilde{\boldsymbol{x}}_i =&\, (\boldsymbol{x}_i - \boldsymbol{\mu})\boldsymbol{U}\boldsymbol{\Lambda}^{-1/2} \\ \boldsymbol{\mu} =&\, \frac{1}{N}\sum\limits_{i=1}^N \boldsymbol{x}_i \\ \boldsymbol{\Sigma} =&\, \frac{1}{N}\sum\limits_{i=1}^N (\boldsymbol{x}_i - \boldsymbol{\mu})^{\top}(\boldsymbol{x}_i - \boldsymbol{\mu}) = \boldsymbol{U}\boldsymbol{\Lambda}\boldsymbol{U}^{\top} \,\,(\text{SVD分解}) \end{aligned}\end{equation}$$

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最近Arxiv上的一篇论文《EXACT: How to Train Your Accuracy》引起了笔者的兴趣，顾名思义这是介绍如何直接以准确率为训练目标来训练模型的。正好笔者之前也对此有过一些分析，如《函数光滑化杂谈：不可导函数的可导逼近》、《再谈类别不平衡问题：调节权重与魔改Loss的对比联系》等， 所以带着之前的研究经验很快完成了论文的阅读，写下了这篇总结，并附上了最近关于这个主题的一些新思考。

失实的例子

论文开头指出，我们平时用的分类损失函数是交叉熵或者像SVM中的Hinge Loss，这两个损失均不能很好地拟合最终的评价指标准确率。为了说明这一点，论文举了一个很简单的例子：假设数据只有$\{(-0.25,-1),(0,-1),(0.25,,1)\}$三个点，$-1$和$1$分别代表负类和正类，待拟合模型是$f(x)=x-b$，$b$是参数，我们希望通过$\text{sign}(f(x))$来预测类别。如果用“sigmoid + 交叉熵”，那么损失函数就是$-\log \frac{1}{1+e^{-l \cdot f(x)}}$，$(x,l)$代表一对标签数据；如果用Hinge Loss，则是$\max(0, 1 - l\cdot f(x))$。

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到目前为止，笔者给出了生成扩散模型DDPM的两种推导，分别是《生成扩散模型漫谈（一）：DDPM = 拆楼 + 建楼》中的通俗类比方案和《生成扩散模型漫谈（二）：DDPM = 自回归式VAE》中的变分自编码器方案。两种方案可谓各有特点，前者更为直白易懂，但无法做更多的理论延伸和定量理解，后者理论分析上更加完备一些，但稍显形式化，启发性不足。

贝叶斯定理（来自维基百科）

在这篇文章中，我们再分享DDPM的一种推导，它主要利用到了贝叶斯定理来简化计算，整个过程的“推敲”味道颇浓，很有启发性。不仅如此，它还跟我们后面将要介绍的DDIM模型有着紧密的联系。

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这几天读到论文《Exploring and Exploiting Hubness Priors for High-Quality GAN Latent Sampling》，了解到了一个新的名词“Hubness现象”，说的是高维空间中的一种聚集效应，本质上是“维度灾难”的体现之一。论文借助Hubness的概念得到了一个提升GAN模型生成质量的方案，看起来还蛮有意思。所以笔者就顺便去学习了一下Hubness现象的相关内容，记录在此，供大家参考。

坍缩的球

“维度灾难”是一个很宽泛的概念，所有在高维空间中与相应的二维、三维空间版本出入很大的结论，都可以称之为“维度灾难”，比如《n维空间下两个随机向量的夹角分布》中介绍的“高维空间中任何两个向量几乎都是垂直的”。其中，有不少维度灾难现象有着同一个源头——“高维空间单位球与其外切正方体的体积之比逐渐坍缩至0”，包括本文的主题“Hubness现象”亦是如此。

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