科学空间|Scientific Spaces

前些天刷Arxiv看到新文章《Self-Orthogonality Module: A Network Architecture Plug-in for Learning Orthogonal Filters》（下面简称“原论文”），看上去似乎有点意思，于是阅读了一番，读完确实有些收获，在此记录分享一下。

给全连接或者卷积模型的核加上带有正交化倾向的正则项，是不少模型的需求，比如大名鼎鼎的BigGAN就加入了类似的正则项。而这篇论文则引入了一个新的正则项，笔者认为整个分析过程颇为有趣，可以一读。

为什么希望正交？

在开始之前，我们先约定：本文所出现的所有一维向量都代表列向量。那么，现在假设有一个$d$维的输入样本$\boldsymbol{x}\in \mathbb{R}^d$，经过全连接或卷积层时，其核心运算就是：
\begin{equation}\boldsymbol{y}^{\top}=\boldsymbol{x}^{\top}\boldsymbol{W},\quad \boldsymbol{W}\triangleq (\boldsymbol{w}_1,\boldsymbol{w}_2,\dots,\boldsymbol{w}_k)\label{eq:k}\end{equation}
其中$\boldsymbol{W}\in \mathbb{R}^{d\times k}$是一个矩阵，它就被称“核”（全连接核／卷积核），而$\boldsymbol{w}_1,\boldsymbol{w}_2,\dots,\boldsymbol{w}_k\in \mathbb{R}^{d}$是该矩阵的各个列向量。

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一般来说，神经网络处理的东西都是连续的浮点数，标准的输出也是连续型的数字。但实际问题中，我们很多时候都需要一个离散的结果，比如分类问题中我们希望输出正确的类别，“类别”是离散的，“类别的概率”才是连续的；又比如我们很多任务的评测指标实际上都是离散的，比如分类问题的正确率和F1、机器翻译中的BLEU，等等。

还是以分类问题为例，常见的评测指标是正确率，而常见的损失函数是交叉熵。交叉熵的降低与正确率的提升确实会有一定的关联，但它们不是绝对的单调相关关系。换句话说，交叉熵下降了，正确率不一定上升。显然，如果能用正确率的相反数做损失函数，那是最理想的，但正确率是不可导的（涉及到$\text{argmax}$等操作），所以没法直接用。

这时候一般有两种解决方案；一是动用强化学习，将正确率设为奖励函数，这是“用牛刀杀鸡”的方案；另外一种是试图给正确率找一个光滑可导的近似公式。本文就来探讨一下常见的不可导函数的光滑近似，有时候我们称之为“光滑化”，有时候我们也称之为“软化”。

max

后面谈到的大部分内容，基础点就是$\max$操作的光滑近似，我们有：
\begin{equation}\max(x_1,x_2,\dots,x_n) = \lim_{K\to +\infty}\frac{1}{K}\log\left(\sum_{i=1}^n e^{K x_i}\right)\end{equation}

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印象中很早之前就看到过VQ-VAE，当时对它并没有什么兴趣，而最近有两件事情重新引起了我对它的兴趣。一是VQ-VAE-2实现了能够匹配BigGAN的生成效果（来自机器之心的报道）；二是我最近看一篇NLP论文《Unsupervised Paraphrasing without Translation》时发现里边也用到了VQ-VAE。这两件事情表明VQ-VAE应该是一个颇为通用和有意思的模型，所以我决定好好读读它。

个人复现的VQ-VAE在CelebA上的重构效果。可以留意到细节保留得还不错，但稍微放大后能留意到仍有一些模糊感。

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自SimCLR以来，CV中关于无监督特征学习的工作层出不穷，让人眼花缭乱。这些工作大多数都是基于对比学习的，即通过适当的方式构造正负样本进行分类学习的。然而，在众多类似的工作中总有一些特立独行的研究，比如Google的BYOL和最近的SimSiam，它们提出了单靠正样本就可以完成特征学习的方案，让人觉得耳目一新。但是没有负样本的支撑，模型怎么不会退化（坍缩）为一个没有意义的常数模型呢？这便是这两篇论文最值得让人思考和回味的问题了。

其中SimSiam给出了让很多人都点赞的答案，但笔者觉得SimSiam也只是把问题换了种说法，并没有真的解决这个问题。笔者认为，像SimSiam、GAN等模型的成功，很重要的原因是使用了基于梯度的优化器（而非其他更强或者更弱的优化器），所以不结合优化动力学的答案都是不完整的。在这里，笔者尝试结合动力学来分析SimSiam不会退化的原因。

SimSiam

在看SimSiam之前，我们可以先看看BYOL，来自论文《Bootstrap your own latent: A new approach to self-supervised Learning》，其学习过程很简单，就是维护两个编码器Student和Teacher，其中Teacher是Student的滑动平均，Student则又反过来向Teacher学习，有种“左脚踩右脚”就可以飞起来的感觉。示意图如下：

BYOL示意图

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果蝇（图片来自Google搜索）

可能有些读者最近会留意到ICLR 2021的论文《Can a Fruit Fly Learn Word Embeddings?》，文中写到它是基于仿生思想（仿果蝇的嗅觉回路）做出来的一个二值化词向量模型。其实论文的算法部分并不算难读，可能整篇论文读下来大家的最主要疑惑就是“这东西跟果蝇有什么关系？”、“作者真是从果蝇里边受到启发的？”等等。本文就让我们来追寻一下该算法的来龙去脉，试图回答一下这个词向量模型是怎么跟果蝇搭上关系的。

BioWord

原论文并没有给该词向量模型起个名字，为了称呼上的方便，这里笔者就自作主张将其称为“BioWord”了。总的来说，论文内容大体上有三部分：

1、给每个n-gram构建了一个词袋表示向量；

2、对这些n-gram向量执行BioHash算法，得到所谓的（二值化的）静态/动态词向量；

3、“拼命”讲了一个故事。

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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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当要求函数的最小值时，我们通常会先求导函数然后寻找其零点，比较幸运的情况下，这些零点之一正好是原函数的最小值点。如果是向量函数，则将导数改为梯度并求其零点。当梯度零点不易求得时，我们可以使用梯度下降来逐渐逼近最小值点。

以上这些都是无约束优化的基础结果，相信不少读者都有所了解。然而，本文的主题是概率空间中的优化，即目标函数的输入是一个概率分布，这类目标的优化更为复杂，因为它的搜索空间不再是无约束的，如果我们依旧去求解梯度零点或者执行梯度下降，所得结果未必能保证是一个概率分布。因此，我们需要寻找一种新的分析和计算方法，以确保优化结果能够符合概率分布的特性。

对此，笔者一直以来也感到颇为头疼，所以近来决定”痛定思痛“，针对概率分布的优化问题系统学习了一番，最后将学习所得整理在此，供大家参考。

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随着算力的飞速进步，有越多越多的场景希望能够实现“算力换时间”，即通过堆砌算力来缩短模型训练时间。理想情况下，我们希望投入$n$倍的算力，那么达到同样效果的时间则缩短为$1/n$，此时总的算力成本是一致的。这个“希望”看上去很合理和自然，但实际上并不平凡，即便我们不考虑通信之类的瓶颈，当算力超过一定规模或者模型小于一定规模时，增加算力往往只能增大Batch Size。然而，增大Batch Size一定可以缩短训练时间并保持效果不变吗？

这就是接下来我们要讨论的话题：当Batch Size增大时，各种超参数尤其是学习率该如何调整，才能保持原本的训练效果并最大化训练效率？我们也可以称之为Batch Size与学习率之间的Scaling Law。

方差视角

直觉上，当Batch Size增大时，每个Batch的梯度将会更准，所以步子就可以迈大一点，也就是增大学习率，以求更快达到终点，缩短训练时间，这一点大体上都能想到。问题就是，增大多少才是最合适的呢？

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