科学空间|Scientific Spaces

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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相信不少读者这几天都看到了清华大学与智源人工智能研究院一起搞的“清源计划”（相关链接《中文版GPT-3来了？智源研究院发布清源 CPM —— 以中文为核心的大规模预训练模型》），里边开源了目前最大的中文GPT2模型CPM-LM（26亿参数），据说未来还会开源200亿甚至1000亿参数的模型，要打造“中文界的GPT3”。

官方给出的CPM-LM的Few Shot效果演示图

我们知道，GPT3不需要finetune就可以实现Few Shot，而目前CPM-LM的演示例子中，Few Shot的效果也是相当不错的，让人跃跃欲试，笔者也不例外。既然要尝试，肯定要将它适配到自己的bert4keras中才顺手，于是适配工作便开始了。本以为这是一件很轻松的事情，谁知道踩坑踩了快3天才把它搞好，在此把踩坑与测试的过程稍微记录一下。

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刚看到一个有意思的结论：

对于任意实数$x$及偶数$n$，总有$\sum\limits_{k=0}^n \frac{x^k}{k!} > 0$，即$e^x$在$x=0$处的偶次泰勒展开式总是正的。

下面我们来看一下这个结论的证明，以及它在寻找softmax替代品中的应用。

证明过程

看上去这是一个很强的结果，证明会不会很复杂？其实证明非常简单，记
\begin{equation}f_n(x) = \sum\limits_{k=0}^n \frac{x^k}{k!}\end{equation}
当$n$是偶数时，我们有$\lim\limits_{x\to\pm\infty} f_n(x)=+\infty$，即整体是开口向上的，所以我们只需要证明它的最小值大于0就行了，又因为它是一个光滑连续的多项式函数，所以最小值点必然是某个极小值点。那么换个角度想，我们只需要证明它所有的极值点（不管是极大还是极小）所对应的函数值都大于0。

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最近一段时间入了水族的坑，整了个60cm×40cm的超白缸来玩，主要是龟鱼共养。个人比较追求自然仿生，所以希望能在缸里建立一个相对稳定的仿生态环境。当然，其实这都是借口，根本原因是懒得换水，也不想洗过滤棉，所以就想着依靠生态系统自身的净化能力来延长换水时间。为此，参考网上的资料搞了个同程底滤，并且根据自己的经验做了一些修改。

生态缸-俯视图

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在上一篇文章中，我们介绍了“受限文本生成”这个概念，指出可以通过量化目标并从中采样的方式来无监督地完成某些带条件的文本生成任务。同时，上一篇文章还介绍了“重要性采样”和“拒绝采样”两个方法，并且指出对于高维空间而言，它们所依赖的易于采样的分布往往难以设计，导致它们难以满足我们的采样需求。

此时，我们就需要引入采样界最重要的算法之一“Markov Chain Monte Carlo（MCMC）”方法了，它将马尔可夫链和蒙特卡洛方法结合起来，使得（至少理论上是这样）我们从很多高维分布中进行采样成为可能，也是后面我们介绍的受限文本生成应用的重要基础算法之一。本文试图对它做一个基本的介绍。

马尔可夫链

马尔可夫链实际上就是一种“无记忆”的随机游走过程，它以转移概率$p(\boldsymbol{y}\leftarrow\boldsymbol{x})$为基础，从一个初始状态$\boldsymbol{x}_0$出发，每一步均通过该转移概率随机选择下一个状态，从而构成随机状态列$\boldsymbol{x}_0, \boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{x}_2, \cdots, \boldsymbol{x}_t, \cdots $，我们希望考察对于足够大的步数$t$，$\boldsymbol{x}_t$所服从的分布，也就是该马尔可夫链的“平稳分布”。

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正态分布是最常见的连续型概率分布之一。它是给定均值和协方差后的最大熵分布（参考《“熵”不起：从熵、最大熵原理到最大熵模型（二）》），也可以看作任意连续型分布的二阶近似，它的地位就相当于一般函数的线性近似。从这个角度来看，正态分布算得上是最简单的连续型分布了。也正因为简单，所以对于很多估计量来说，它都能写出解析解来。

本文主要来计算两个多元正态分布的几种度量，包括KL散度、巴氏距离和W距离，它们都有显式解析解。

正态分布

这里简单回顾一下正态分布的一些基础知识。注意，仅仅是回顾，这还不足以作为正态分布的入门教程。

概率密度

正态分布，也即高斯分布，是定义在$\mathbb{R}^n$上的连续型概率分布，其概率密度函数为
\begin{equation}p(\boldsymbol{x})=\frac{1}{\sqrt{(2\pi)^n \det(\boldsymbol{\Sigma})}}\exp\left\{-\frac{1}{2}(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{\mu})^{\top}\boldsymbol{\Sigma}^{-1}(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{\mu})\right\}\end{equation}

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在文章《你可能不需要BERT-flow：一个线性变换媲美BERT-flow》中，笔者受到BERT-flow的启发，提出了一种名为BERT-whitening的替代方案，它比BERT-flow更简单，但多数数据集下能取得相近甚至更好的效果，此外它还可以用于对句向量降维以提高检索速度。后来，笔者跟几位合作者一起补充了BERT-whitening的实验，并将其写成了英文论文《Whitening Sentence Representations for Better Semantics and Faster Retrieval》，在今年3月29日发布在Arxiv上。

然而，大约一周后，一篇名为《WhiteningBERT: An Easy Unsupervised Sentence Embedding Approach》的论文 （下面简称WhiteningBERT）出现在Arxiv上，内容跟BERT-whitening高度重合，有读者看到后向我反馈WhiteningBERT抄袭了BERT-whitening。本文跟关心此事的读者汇报一下跟WhiteningBERT的作者之间的沟通结果。

时间节点

首先，回顾一下BERT-whitening的相关时间节点，以帮助大家捋一下事情的发展顺序：

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WGAN，即Wasserstein GAN，算是GAN史上一个比较重要的理论突破结果，它将GAN中两个概率分布的度量从f散度改为了Wasserstein距离，从而使得WGAN的训练过程更加稳定，而且生成质量通常也更好。Wasserstein距离跟最优传输相关，属于Integral Probability Metric（IPM）的一种，这类概率度量通常有着更优良的理论性质，因此WGAN的出现也吸引了很多人从最优传输和IPMs的角度来理解和研究GAN模型。

然而，最近Arxiv上的论文《Wasserstein GANs Work Because They Fail (to Approximate the Wasserstein Distance)》则指出，尽管WGAN是从Wasserstein GAN推导出来的，但是现在成功的WGAN并没有很好地近似Wasserstein距离，相反如果我们对Wasserstein距离做更好的近似，效果反而会变差。事实上，笔者一直以来也有这个疑惑，即Wasserstein距离本身并没有体现出它能提升GAN效果的必然性，该论文的结论则肯定了该疑惑，所以GAN能成功的原因依然很迷～

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