科学空间|Scientific Spaces

HMM、MEMM、CRF被称为是三大经典概率图模型，在深度学习之前的机器学习时代，它们被广泛用于各种序列标注相关的任务中。一个有趣的现象是，到了深度学习时代，HMM和MEMM似乎都“没落”了，舞台上就只留下CRF。相信做NLP的读者朋友们就算没亲自做过也会听说过BiLSTM+CRF做中文分词、命名实体识别等任务，却几乎没有听说过BiLSTM+HMM、BiLSTM+MEMM的，这是为什么呢？

今天就让我们来学习一番MEMM，并且通过与CRF的对比，来让我们更深刻地理解概率图模型的思想与设计。

模型推导

MEMM全称Maximum Entropy Markov Model，中文名可译为“最大熵马尔可夫模型”。不得不说，这个名字可能会吓退80%的初学者：最大熵还没搞懂，马尔可夫也不认识，这两个合起来怕不是天书？而事实上，不管是MEMM还是CRF，它们的模型都远比它们的名字来得简单，它们的概念和设计都非常朴素自然，并不难理解。

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当前，说到深度学习中的对抗，一般会有两个含义：一个是生成对抗网络（Generative Adversarial Networks，GAN），代表着一大类先进的生成模型；另一个则是跟对抗攻击、对抗样本相关的领域，它跟GAN相关，但又很不一样，它主要关心的是模型在小扰动下的稳健性。本博客里以前所涉及的对抗话题，都是前一种含义，而今天，我们来聊聊后一种含义中的“对抗训练”。

本文包括如下内容：

1、对抗样本、对抗训练等基本概念的介绍；

2、介绍基于快速梯度上升的对抗训练及其在NLP中的应用；

3、给出了对抗训练的Keras实现（一行代码调用）；

4、讨论了对抗训练与梯度惩罚的等价性；

5、基于梯度惩罚，给出了一种对抗训练的直观的几何理解。

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前些天笔者写了《CRF用过了，不妨再了解下更快的MEMM？》，里边提到了MEMM的局部归一化和CRF的全局归一化的优劣。同时，笔者联想到了Seq2Seq模型，因为Seq2Seq模型的典型训练方案Teacher Forcing就是一个局部归一化模型，所以它也存在着局部归一化所带来的毛病——也就是我们经常说的“Exposure Bias”。带着这个想法，笔者继续思考了一翻，将最后的思考结果记录在此文。

经典的Seq2Seq模型图示

本文算是一篇进阶文章，适合对Seq2Seq模型已经有一定的了解、希望进一步提升模型的理解或表现的读者。关于Seq2Seq的入门文章，可以阅读旧作《玩转Keras之seq2seq自动生成标题》和《从语言模型到Seq2Seq：Transformer如戏，全靠Mask》。

本文的内容大致为：

1、Exposure Bias的成因分析及例子；

2、简单可行的缓解Exposure Bias问题的策略。

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自《Attention is All You Need》一文发布后，基于Multi-Head Attention的Transformer模型开始流行起来，而去年发布的BERT模型更是将Transformer模型的热度推上了又一个高峰。当然，技术的探索是无止境的，改进的工作也相继涌现：有改进预训练任务的，比如XLNET的PLM、ALBERT的SOP等；有改进归一化的，比如Post-Norm向Pre-Norm的改变，以及T5中去掉了Layer Norm里边的beta参数等；也有改进模型结构的，比如Transformer-XL等；有改进训练方式的，比如ALBERT的参数共享等；...

以上的这些改动，都是在Attention外部进行改动的，也就是说它们都默认了Attention的合理性，没有对Attention本身进行改动。而本文我们则介绍关于两个新结果：它们针对Multi-Head Attention中可能存在建模瓶颈，提出了不同的方案来改进Multi-Head Attention。两篇论文都来自Google，并且做了相当充分的实验，因此结果应该是相当有说服力的了。

再小也不能小key_size

第一个结果来自文章《Low-Rank Bottleneck in Multi-head Attention Models》，它明确地指出了Multi-Head Attention里边的表达能力瓶颈，并提出通过增大key_size的方法来缓解这个瓶颈。

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（注：本文的相关内容已整理成论文《ZLPR: A Novel Loss for Multi-label Classification》，如需引用可以直接引用英文论文，谢谢。）

一般来说，在处理常规的多分类问题时，我们会在模型的最后用一个全连接层输出每个类的分数，然后用softmax激活并用交叉熵作为损失函数。在这篇文章里，我们尝试将“Softmax+交叉熵”方案推广到多标签分类场景，希望能得到用于多标签分类任务的、不需要特别调整类权重和阈值的loss。

类别不平衡

单标签到多标签

一般来说，多分类问题指的就是单标签分类问题，即从$n$个候选类别中选$1$个目标类别。假设各个类的得分分别为$s_1,s_2,
\dots,s_n$，目标类为$t\in\{1,2,\dots,n\}$，那么所用的loss为
\begin{equation}-\log \frac{e^{s_t}}{\sum\limits_{i=1}^n e^{s_i}}= - s_t + \log \sum\limits_{i=1}^n e^{s_i}\label{eq:log-softmax}\end{equation}
这个loss的优化方向是让目标类的得分$s_t$变为$s_1,s_2,\dots,s_t$中的最大值。关于softmax的相关内容，还可以参考《寻求一个光滑的最大值函数》、《函数光滑化杂谈：不可导函数的可导逼近》等文章。

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自从GPT、BERT等预训练模型流行起来后，其中一个明显的趋势是模型越做越大，因为更大的模型配合更充分的预训练通常能更有效地刷榜。不过，理想可以无限远，现实通常很局促，有时候模型太大了，大到哪怕你拥有了大显存的GPU甚至TPU，依然会感到很绝望。比如GPT2最大的版本有15亿参数，最大版本的T5模型参数量甚至去到了110亿，这等规模的模型，哪怕在TPU集群上也没法跑到多大的batch size。

这时候通常要往优化过程着手，比如使用混合精度训练（tensorflow下还可以使用一种叫做bfloat16的新型浮点格式），即省显存又加速训练；又或者使用更省显存的优化器，比如RMSProp就比Adam更省显存。本文则介绍AdaFactor，一个由Google提出来的新型优化器，首发论文为《Adafactor: Adaptive Learning Rates with Sublinear Memory Cost》。AdaFactor具有自适应学习率的特性，但比RMSProp还要省显存，并且还针对性地解决了Adam的一些缺陷。

Adam

首先我们来回顾一下常用的Adam优化器的更新过程。设$t$为迭代步数，$\alpha_t$为当前学习率，$L(\theta)$是损失函数，$\theta$是待优化参数，$\epsilon$则是防止溢出的小正数，那么Adam的更新过程为

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GELU，全称为Gaussian Error Linear Unit，也算是RELU的变种，是一个非初等函数形式的激活函数。它由论文《Gaussian Error Linear Units (GELUs)》提出，后来被用到了GPT中，再后来被用在了BERT中，再再后来的不少预训练语言模型也跟着用到了它。随着BERT等预训练语言模型的兴起，GELU也跟着水涨船高，莫名其妙地就成了热门的激活函数了。

gelu函数图像

在GELU的原始论文中，作者不仅提出了GELU的精确形式，还给出了两个初等函数的近似形式，本文来讨论它们是怎么得到的。

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不少读者最近可能留意到了公众号文章《BERT重计算：用22.5%的训练时间节省5倍的显存开销（附代码）》，里边介绍了一个叫做“重计算”的技巧，简单来说就是用来省显存的方法，让平均训练速度慢一点，但batch_size可以增大好几倍。该技巧首先发布于论文《Training Deep Nets with Sublinear Memory Cost》，其实在2016年就已经提出了，只不过似乎还没有特别流行起来。

探索

公众号文章提到该技巧在pytorch和paddlepaddle都有原生实现了，但tensorflow还没有。但事实上从tensorflow 1.8开始，tensorflow就已经自带了该功能了，当时被列入了tf.contrib这个子库中，而从tensorflow 1.15开始，它就被内置为tensorflow的主函数之一，那就是tf.recompute_grad。

找到tf.recompute_grad之后，笔者就琢磨了一下它的用法，经过一番折腾，最终居然真的成功地用起来了，居然成功地让batch_size从48增加到了144！然而，在继续整理测试的过程中，发现这玩意居然在tensorflow 2.x是失效的...于是再折腾了两天，查找了各种资料并反复调试，最终算是成功地补充了这一缺陷。

最后是笔者自己的开源实现：

Github地址：https://github.com/bojone/keras_recompute

该实现已经内置在bert4keras中，使用bert4keras的读者可以升级到最新版本（0.7.5+）来测试该功能。

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