科学空间|Scientific Spaces

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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类别不平衡问题，也叫“长尾问题”，是机器学习面临的常见问题之一，尤其是来源于真实场景下的数据集，几乎都是类别不平衡的。大概在两年前，笔者也思考过这个问题，当时正好对“互信息”相关的内容颇有心得，所以构思了一种基于互信息思想的解决办法，但又想了一下，那思路似乎过于平凡，所以就没有深究。然而，前几天在arxiv上刷到Google的一篇文章《Long-tail learning via logit adjustment》，意外地发现里边包含了跟笔者当初的构思几乎一样的方法，这才意识到当初放弃的思路原来还能达到SOTA的水平～于是结合这篇论文，将笔者当初的构思过程整理于此，希望不会被读者嫌弃“马后炮”。

问题描述

这里主要关心的是单标签的多分类问题，假设有$1,2,\cdots,K$共$K$个候选类别，训练数据为$(x,y)\sim\mathcal{D}$，建模的分布为$p_{\theta}(y|x)$，那么我们的优化目标是最大似然，或者说最小化交叉熵，即
\begin{equation}\mathop{\text{argmin}}_{\theta}\,\mathbb{E}_{(x,y)\sim\mathcal{D}}[-\log p_{\theta}(y|x)]\end{equation}

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类别不平衡问题，也称为长尾分布问题，在本博客里已经有好几次相关讨论了，比如《从loss的硬截断、软化到focal loss》、《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》、《通过互信息思想来缓解类别不平衡问题》。对于缓解类别不平衡，比较基本的方法就是调节样本权重，看起来“高端”一点的方法则是各种魔改loss了（比如Focal Loss、Dice Loss、Logits Adjustment等），本文希望比较系统地理解一下它们之间的联系。

长尾分布：少数类别的样本数目非常多，多数类别的样本数目非常少。

从光滑准确率到交叉熵

这里的分析主要以sigmoid的2分类为主，但多数结论可以平行推广到softmax的多分类。设$x$为输入，$y\in\{0,1\}$为目标，$p_{\theta}(x) \in [0, 1]$为模型。理想情况下，当然是要评测什么指标，我们就去优化那个指标。对于分类问题来说，最朴素的指标当然就是准确率，但准确率并没有办法提供有效的梯度，所以不能直接来训练。

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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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Teacher Forcing是Seq2Seq模型的经典训练方式，而Exposure Bias则是Teacher Forcing的经典缺陷，这对于搞文本生成的同学来说应该是耳熟能详的事实了。笔者之前也曾写过博文《Seq2Seq中Exposure Bias现象的浅析与对策》，初步地分析过Exposure Bias问题。

Teacher Forcing示意图

本文则介绍Google新提出的一种名为“TeaForN”的缓解Exposure Bias现象的方案，来自论文《TeaForN: Teacher-Forcing with N-grams》，它通过嵌套迭代的方式，让模型能提前预估到后$N$个token（而不仅仅是当前要预测的token），其处理思路上颇有可圈可点之处，值得我们学习。

（注：为了尽量跟本博客旧文章保持一致，本文的记号与原论文的记号有所不同，请大家以理解符号含义为主，不要强记符号形式。）

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不知道大家对Google去年的屠榜之作T5还有没有印象？就是那个打着“万事皆可Seq2Seq”的旗号、最大搞了110亿参数、一举刷新了GLUE、SuperGLUE等多个NLP榜单的模型，而且过去一年了，T5仍然是SuperGLUE榜单上的第一，目前还稳妥地拉开着第二名2%的差距。然而，对于中文界的朋友来说，T5可能没有什么存在感，原因很简单：没有中文版T5可用。不过这个现状要改变了，因为Google最近放出了多国语言版的T5（mT5），里边当然是包含了中文语言。虽然不是纯正的中文版，但也能凑合着用一下。

“万事皆可Seq2Seq”的T5

本文将会对T5模型做一个简单的回顾与介绍，然后再介绍一下如何在bert4keras中调用mT5模型来做中文任务。作为一个原生的Seq2Seq预训练模型，mT5在文本生成任务上的表现还是相当不错的，非常值得一试。

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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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Attention机制的$\mathcal{O}(n^2)$复杂度是一个老大难问题了，改变这一复杂度的思路主要有两种：一是走稀疏化的思路，比如我们以往介绍过的Sparse Attention以及Google前几个月搞出来的Big Bird，等等；二是走线性化的思路，这部分工作我们之前总结在《线性Attention的探索：Attention必须有个Softmax吗？》中，读者可以翻看一下。本文则介绍一项新的改进工作Performer，出自Google的文章《Rethinking Attention with Performers》，它的目标相当霸气：通过随机投影，在不损失精度的情况下，将Attention的复杂度线性化。

各个Transformer模型的“效果-速度-显存”图，纵轴是效果，横轴是速度，圆圈的大小代表所需要的显存。理论上来说，越靠近右上方的模型越好，圆圈越小的模型越好

说直接点，就是理想情况下我们可以不用重新训练模型，输出结果也不会有明显变化，但是复杂度降到了$\mathcal{O}(n)$！看起来真的是“天上掉馅饼”般的改进了，真的有这么美好吗？

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