科学空间|Scientific Spaces

最近重新学习了一下中位数的概念，趁新鲜记录一下要点。

做异常值剔除或者裁剪时，我们经常需要一个“基准”，比如对于一堆非负数据，我们可能认为大于基准的50倍就是异常值。那这个基准如何选取呢？一个常用的指标是平均值，然而平均值容易被异常值“带偏”，因此以它为基准可能会偏向异常值，从而漏掉一些结果，这时我们可以考虑选取中位数为基准。

基本性质

对于一维数据点$x_1,x_2,\cdots,x_n$，它们的平均值（Mean）定义为
\begin{equation}\newcommand{mean}{\mathop{\text{mean}}}\mean(x_1,x_2,\cdots,x_n) = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i\end{equation}
由于全体数据都直接参与平均计算，所以一旦有几个点特别大，那么平均值也会随之变大，从而干扰异常值的判断。

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从机器学习时代的数据白化预处理，到深度学习时代的BatchNorm、InstanceNorm、LayerNorm、RMSNorm等花样百出的Normalization方法，本质上都体现了我们对“各向同性（Isotropy）”的偏爱。为什么我们会倾向于各向同性的特征呢？它有什么实际上的好处呢？这个问题能找到很多答案，比如对齐尺度、减少冗余、去相关性等等，但多是流于表面的感觉。

近日，笔者在读论文《The Affine Divergence: Aligning Activation Updates Beyond Normalisation》时，悟到了该问题在优化视角下的一个新理解，个人认为它相对来说还是比较贴近本质的，所以写出来跟大家分享和讨论一下。

最速下降

我们从最简单的线性层出发
\begin{equation}\boldsymbol{Y} = \boldsymbol{X}\boldsymbol{W}\end{equation}

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前两年福至心灵之下，开了一个“Transformer升级之路”系列，陆续分享了主流Transformer架构的一些改进工作和个人思考，得到了部份读者的认可。这篇文章开始，我们沿着同样的风格，介绍当前另一个主流架构MoE（Mixture of Experts）。

MoE的流行自不必多说，近来火出圈的DeepSeek-V3便是MoE架构，传言GPT-4也是MoE架构，国内最近出的一些模型也有不少用上了MoE。然而，虽然MoE的研究由来已久，但其应用长时间内都不愠不火，大致上是从去年初的《Mixtral of Experts》开始，MoE才逐渐吸引大家的注意力，其显著优点是参数量大，但训练和推理成本都显著低。

但同时MoE也有一些难题，如训练不稳定、负载不均衡、效果不够好等，这也是它早年没有流行起来的主要原因。不过随着这两年关注度的提升，这些问题在很大程度上已经得到解决，我们在接下来的介绍中会逐一谈到这些内容。

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前几天笔者在思考一个问题时，联想到了三球交点问题，即给定三个球的球心坐标和半径，求这三个球的交点坐标。按理说这是一个定义清晰且简明的问题，并且具有鲜明的应用背景（比如卫星定位），应该早已有人给出“标准答案”才对。但笔者搜了一圈，发现不管是英文资料还是中文资料，都没有找到标准的求解流程。

当然，这并不是说这个问题有多难以至于没人能求解出来，事实上这是个早已被人解决的经典问题，笔者只是意外于似乎没有人以一种可读性比较好的方式将求解过程写到网上，所以本文试图补充这一点。

特殊情形

首先，设三个球的方程分别是
\begin{align}
&\text{球1:}\quad (\boldsymbol{x} - \boldsymbol{o}_1)^2 = r_1^2 \label{eq:s1} \\
&\text{球2:}\quad (\boldsymbol{x} - \boldsymbol{o}_2)^2 = r_2^2 \label{eq:s2} \\
&\text{球3:}\quad (\boldsymbol{x} - \boldsymbol{o}_3)^2 = r_3^2 \label{eq:s3} \\
\end{align}

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对于复杂模型来说，参数的初始化显得尤为重要。糟糕的初始化，很多时候已经不单是模型效果变差的问题了，还更有可能是模型根本训练不动或者不收敛。在深度学习中常见的自适应初始化策略是Xavier初始化，它是从正态分布$\mathcal{N}\left(0,\frac{2}{fan_{in} + fan_{out}}\right)$中随机采样而构成的初始权重，其中$fan_{in}$是输入的维度而$fan_{out}$是输出的维度。其他初始化策略基本上也类似，只不过假设有所不同，导致最终形式略有差别。

标准的初始化策略的推导是基于概率统计的，大概的思路是假设输入数据的均值为0、方差为1，然后期望输出数据也保持均值为0、方差为1，然后推导出初始变换应该满足的均值和方差条件。这个过程理论上没啥问题，但在笔者看来依然不够直观，而且推导过程的假设有点多。本文则希望能从几何视角来理解模型的初始化方法，给出一个更直观的推导过程。

信手拈来的正交

前者时间笔者写了《n维空间下两个随机向量的夹角分布》，其中的一个推论是

推论1： 高维空间中的任意两个随机向量几乎都是垂直的。

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昨天刷arxiv时发现了一篇来自星星韩国的论文，名字很直白，就叫做《A Simple yet Effective Way for Improving the Performance of GANs》。打开一看，发现内容也很简练，就是提出了一种加强GAN的判别器的方法，能让GAN的生成指标有一定的提升。

作者把这个方法叫做Cascading Rejection，我不知道咋翻译，扔到百度翻译里边显示“级联抑制”，想想看好像是有这么点味道，就暂时这样叫着了。介绍这个方法倒不是因为它有多强大，而是觉得它的几何意义很有趣，而且似乎有一定的启发性。

正交分解

GAN的判别器一般是经过多层卷积后，通过flatten或pool得到一个固定长度的向量$\boldsymbol{v}$，然后再与一个权重向量$\boldsymbol{w}$做内积，得到一个标量打分（先不考虑偏置项和激活函数等末节）：
\begin{equation}D(\boldsymbol{x})=\langle \boldsymbol{v},\boldsymbol{w}\rangle\end{equation}
也就是说，用$\boldsymbol{v}$作为输入图片的表征，然后通过$\boldsymbol{v}$和$\boldsymbol{w}$的内积大小来判断出这个图片的“真”的程度。

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这篇文章介绍一个发表在NeurIPS 2019的做词向量和句向量的模型JoSE（Joint Spherical Embedding），论文名字是《Spherical Text Embedding》。JoSE模型思想上和方法上传承自Doc2Vec，评测结果更加漂亮，但写作有点故弄玄虚之感。不过笔者决定写这篇文章，是因为觉得里边的某些分析过程有点意思，可能会对一般的优化问题都有些参考价值。

优化目标

在思想上，这篇文章基本上跟Doc2Vec是一致的：为了训练句向量，把句子用一个id表示，然后把它也当作一个词，跟句内所有的词都共现，最后训练一个Skip Gram模型，训练的方式都是基于负采样的。跟Doc2Vec不一样的是，JoSE将全体向量的模长都归一化了（也就是只考虑单位球面上的向量），然后训练目标没有用交叉熵，而是用hinge loss：
\begin{equation}\max(0, m - \cos(\boldsymbol{u}, \boldsymbol{v}) - \cos(\boldsymbol{u}, \boldsymbol{d}) + \cos(\boldsymbol{u}', \boldsymbol{v}) + \cos(\boldsymbol{u}', \boldsymbol{d})\label{eq:loss}\end{equation}

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终于开始谈到重点了，就是这部分内容促使我学习外微分的。用外微分可以方便地推导微分几何的一些内容，有时候还能方便计算。其主要根源在于：外微分本身在形式上是微分的推广，因此微分几何的东西能够使用外微分来描述并不出奇；然后，最重要的原因是，外微分把$dx^{\mu}$看成一组基，因此相当于在几何中引入了两组基，一组是本身的向量基（用张量的语言，就是逆变向量的基），这组基可以做对称的内积，另外一组基就是$dx^{\mu}$，这组基可以做反对称的外积。因此，当外微分引入几何时，微分几何就拥有了微分、积分、对称积、反对称积等各种“理想装备”，这就是外微分能够加速微分几何推导的主要原因。

标架的运动

前面已经得到
$$\begin{aligned}&\omega^{\mu}=h_{\alpha}^{\mu}dx^{\alpha}\\
&d\boldsymbol{r}=\hat{\boldsymbol{e}}_{\mu} \omega^{\mu}\\
&ds^2 = \eta_{\mu\nu} \omega^{\mu}\omega^{\nu}\\
&\langle \hat{\boldsymbol{e}}_{\mu}, \hat{\boldsymbol{e}}_{\nu}\rangle = \eta_{\mu\nu}\end{aligned} \tag{45} $$

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