科学空间|Scientific Spaces

在这个系列中，我们来关心优化算法，而本文的主题则是SGD（stochastic gradient descent，随机梯度下降），包括带Momentum和Nesterov版本的。对于SGD，我们通常会关心的几个问题是：

SGD为什么有效？
SGD的batch size是不是越大越好？
SGD的学习率怎么调？
Momentum是怎么加速的？
Nesterov为什么又比Momentum稍好？
...

这里试图从动力学角度分析SGD，给出上述问题的一些启发性理解。

梯度下降

既然要比较谁好谁差，就需要知道最好是什么样的，也就是说我们的终极目标是什么？

训练目标分析

假设全部训练样本的集合为$\boldsymbol{S}$，损失度量为$L(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})$，其中$\boldsymbol{x}$代表单个样本，而$\boldsymbol{\theta}$则是优化参数，那么我们可以构建损失函数
$$L(\boldsymbol{\theta}) = \frac{1}{|\boldsymbol{S}|}\sum_{\boldsymbol{x}\in\boldsymbol{S}} L(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\tag{1}$$
而训练的终极目标，则是找到$L(\boldsymbol{\theta})$的一个全局最优点（这里的最优是“最小”的意思）。

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最近把优化算法跟动力学结合起来思考得越来越起劲了，这是优化算法与动力学系列的第三篇，我有预感还会有第4篇，敬请期待～

简单来个剧情回顾：第一篇中我们指出了其实SGD相当于常微分方程（ODE）的数值解法：欧拉法；第二篇我们还是数值解法的误差分析的角度，分析了为什么可以通过梯度来调节学习率，因此也就解释了RMSprop、Adam等算法中，用梯度调节学习率的原理。

本文将给出一个更统一的观点来看待这两个事情，并且试图回答一个更本质的问题：为什么是梯度下降？

（注：本文的讨论没有涉及到动量加速部分。）

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深度学习如此成功的一个巨大原因就是基于梯度的优化算法（SGD、Adam等）能有效地求解大多数神经网络模型。然而，既然是基于梯度，那么就要求模型是可导的，但随着研究的深入，我们时常会有求解不可导模型的需求，典型的例子就是直接优化准确率、F1、BLEU等评测指标，或者在神经网络里边加入了不可导模块（比如“跳读”操作）。

Gradient

本文将简单介绍两种求解不可导的模型的有效方法：强化学习的重要方法之一策略梯度（Policy Gradient），以及干脆不需要梯度的零阶优化（Zeroth Order Optimization）。表面上来看，这是两种思路完全不一样的优化方法，但本文将进一步证明，在一大类优化问题中，其实两者基本上是等价的。

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前几天在群里大家讨论到了“Transformer如何解决梯度消失”这个问题，答案有提到残差的，也有提到LN（Layer Norm）的。这些是否都是正确答案呢？事实上这是一个非常有趣而综合的问题，它其实关联到挺多模型细节，比如“BERT为什么要warmup？”、“BERT的初始化标准差为什么是0.02？”、“BERT做MLM预测之前为什么还要多加一层Dense？”，等等。本文就来集中讨论一下这些问题。

梯度消失说的是什么意思？

在文章《也来谈谈RNN的梯度消失/爆炸问题》中，我们曾讨论过RNN的梯度消失问题。事实上，一般模型的梯度消失现象也是类似，它指的是（主要是在模型的初始阶段）越靠近输入的层梯度越小，趋于零甚至等于零，而我们主要用的是基于梯度的优化器，所以梯度消失意味着我们没有很好的信号去调整优化前面的层。

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不少读者都应该知道，损失函数与评测指标的不一致性是机器学习的典型现象之一，比如分类问题中损失函数用交叉熵，评测指标则是准确率或者F1，又比如文本生成中损失函数是teacher-forcing形式的交叉熵，评测指标则是BLEU、ROUGE等。理想情况下，当然是评测什么指标，我们就去优化这个指标，然而评测指标通常都是不可导的，而我们多数都是使用基于梯度的优化器，这就要求最小化的目标必须是可导的，这是不一致性的来源。

前些天在arxiv刷到了一篇名为《MLE-guided parameter search for task loss minimization in neural sequence modeling》的论文，顾名思义，它是研究如何直接优化文本生成的评测指标的。经过阅读，笔者发现这篇论文很有价值，事实上它提供了一种优化评测指标的新思路，适用范围并不局限于文本生成中。不仅如此，它甚至还包含了一种理解可导优化与不可导优化的统一视角。

采样视角

首先，我们可以通过采样的视角来重新看待优化问题：设模型当前参数为$\theta$，优化目标为$l(\theta)$，我们希望决定下一步的更新量$\Delta\theta$，为此，我们先构建分布
\begin{equation}p(\Delta\theta|\theta)=\frac{e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha}}{Z(\theta)},\quad Z(\theta) = \int e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha} d(\Delta\theta)\end{equation}

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本文的主题是“为什么我们需要有限的学习率”，所谓“有限”，指的是不大也不小，适中即可，太大容易导致算法发散，这不难理解，但为什么太小也不好呢？一个容易理解的答案是，学习率过小需要迭代的步数过多，这是一种没有必要的浪费，因此从“节能”和“加速”的角度来看，我们不用过小的学习率。但如果不考虑算力和时间，那么过小的学习率是否可取呢？Google最近发布在Arxiv上的论文《Implicit Gradient Regularization》试图回答了这个问题，它指出有限的学习率隐式地给优化过程带来了梯度惩罚项，而这个梯度惩罚项对于提高泛化性能是有帮助的，因此哪怕不考虑算力和时间等因素，也不应该用过小的学习率。

对于梯度惩罚，本博客已有过多次讨论，在文章《对抗训练浅谈：意义、方法和思考（附Keras实现）》和《泛化性乱弹：从随机噪声、梯度惩罚到虚拟对抗训练》中，我们就分析了对抗训练一定程度上等价于对输入的梯度惩罚，而文章《我们真的需要把训练集的损失降低到零吗？》介绍的Flooding技巧则相当于对参数的梯度惩罚。总的来说，不管是对输入还是对参数的梯度惩罚，都对提高泛化能力有一定帮助。

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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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经过第一、二步，我们已经能够找出图像中单个文字的区域，接下来可以建立相应的模型对单字进行识别.

模型选择

在模型方面，我们选择了深度学习中的卷积神经网络模型，通过多层卷积神经网络，构建了单字的识别模型.

卷积神经网络是人工神经网络的一种，已成为当前图像识别领域的主流模型. 它通过局部感知野和权值共享方法，降低了网络模型的复杂度，减少了权值的数量，在网络结构上更类似于生物神经网络，这也预示着它必然具有更优秀的效果. 事实上，我们选择卷积神经网络的主要原因有：

1. 对原始图像自动提取特征 卷积神经网络模型可以直接将原始图像进行输入，免除了传统模型的人工提取特征这一比较困难的核心部分；

2. 比传统模型更高的精度 比如在MNIST手写数字识别任务中，可以达到99%以上的精度，这远高于传统模型的精度；

3. 比传统模型更好的泛化能力 这意味着图像本身的形变(伸缩、旋转)以及图像上的噪音对识别的结果影响不明显，这正是一个良好的OCR系统所必需的.

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