31 Aug

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。

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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31 Jul

我们真的需要把训练集的损失降低到零吗?

在训练模型的时候,我们需要损失函数一直训练到0吗?显然不用。一般来说,我们是用训练集来训练模型,但希望的是验证集的损失越小越好,而正常来说训练集的损失降低到一定值后,验证集的损失就会开始上升,因此没必要把训练集的损失降低到0。

既然如此,在已经达到了某个阈值之后,我们可不可以做点别的事情来提升模型性能呢?ICML2020的论文《Do We Need Zero Training Loss After Achieving Zero Training Error?》回答了这个问题。不过论文的回答也仅局限在“是什么”这个层面上,并没很好地描述“为什么”,另外看了知乎上kid丶大佬的解读,也没找到自己想要的答案。因此自己分析了一下,记录在此。

左图:不加Flooding的训练示意图;右图:加了Flooding的训练示意图

左图:不加Flooding的训练示意图;右图:加了Flooding的训练示意图

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19 Jul

通过互信息思想来缓解类别不平衡问题

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{\arg\min}_{\theta}\,\mathbb{E}_{(x,y)\sim\mathcal{D}}[-\log p_{\theta}(y|x)]\end{equation}

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25 Apr

将“softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题

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

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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27 Jan

继续“让Keras更酷一些!”系列,让Keras来得更有趣些吧~

这次围绕着Keras的loss、metric、权重和进度条进行展开。

可以不要输出

一般我们用Keras定义一个模型,是这样子的:

x_in = Input(shape=(784,))
x = x_in
x = Dense(100, activation='relu')(x)
x = Dense(10, activation='softmax')(x)

model = Model(x_in, x)
model.compile(loss='categorical_crossentropy ',
              optimizer='adam',
              metrics=['accuracy'])
model.fit(x_train, y_train, epochs=5)

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6 Aug

“让Keras更酷一些!”:精巧的层与花式的回调

Keras伴我走来

回想起进入机器学习领域的这两三年来,Keras是一直陪伴在笔者的身边。要不是当初刚掉进这个坑时碰到了Keras这个这么易用的框架,能快速实现我的想法,我也不确定我是否能有毅力坚持下来,毕竟当初是theano、pylearn、caffe、torch等的天下,哪怕在今天它们对我来说仍然像天书一般。

后来为了拓展视野,我也去学习了一段时间的tensorflow,用纯tensorflow写过若干程序,但不管怎样,仍然无法割舍Keras。随着对Keras的了解的深入,尤其是花了一点时间研究过Keras的源码后,我发现Keras并没有大家诟病的那样“欠缺灵活性”。事实上,Keras那精巧的封装,可以让我们轻松实现很多复杂的功能。我越来越感觉,Keras像是一件非常精美的艺术品,充分体现了Keras的开发者们深厚的创作功力。

本文介绍Keras中自定义模型的一些内容,相对而言,这属于Keras进阶的内容,刚入门的朋友请暂时忽略。

层的自定义

这里介绍Keras中自定义层及其一些运用技巧,在这之中我们可以看到Keras层的精巧之处。

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29 Jul

基于GRU和am-softmax的句子相似度模型

搞计算机视觉的朋友会知道,am-softmax是人脸识别中的成果。所以这篇文章就是借鉴人脸识别的做法来做句子相似度模型,顺便介绍在Keras下各种margin loss的写法。

背景

细想之下会发现,句子相似度与人脸识别有很多的相似之处~

已有的做法

在我搜索到的资料中,深度学习做句子相似度模型,就只有两种做法:一是输入一对句子,然后输出一个0/1标签代表相似程度,也就是视为一个二分类问题,比如《Learning Text Similarity with Siamese Recurrent Networks》中的模型是这样的

将句子相似度视为二分类模型

将句子相似度视为二分类模型

包括今年拍拍贷的“魔镜杯”,也是这种格式。另外一种做法是输入一个三元组“(句子A,跟A相似的句子,跟A不相似的句子)”,然后用triplet loss的做法解决,比如文章《Applying Deep Learning To Answer Selection: A Study And An Open Task》中的做法。

这两种做法其实也可以看成是一种,本质上是一样的,只不过loss和训练方法有所差别。但是,这两种方法却都有一个很严重的问题:负样本采样严重不足,导致效果提升非常慢。

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25 Dec

从loss的硬截断、软化到focal loss

前言

今天在QQ群里的讨论中看到了focal loss,经搜索它是Kaiming大神团队在他们的论文《Focal Loss for Dense Object Detection》提出来的损失函数,利用它改善了图像物体检测的效果。不过我很少做图像任务,不怎么关心图像方面的应用。本质上讲,focal loss就是一个解决分类问题中类别不平衡、分类难度差异的一个loss,总之这个工作一片好评就是了。大家还可以看知乎的讨论:
《如何评价kaiming的Focal Loss for Dense Object Detection?》

看到这个loss,开始感觉很神奇,感觉大有用途。因为在NLP中,也存在大量的类别不平衡的任务。最经典的就是序列标注任务中类别是严重不平衡的,比如在命名实体识别中,显然一句话里边实体是比非实体要少得多,这就是一个类别严重不平衡的情况。我尝试把它用在我的基于序列标注的问答模型中,也有微小提升。嗯,这的确是一个好loss。

接着我再仔细对比了一下,我发现这个loss跟我昨晚构思的一个loss具有异曲同工之理!这就促使我写这篇博文了。我将从我自己的思考角度出发,来分析这个问题,最后得到focal loss,也给出我昨晚得到的类似的loss。

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