科学空间|Scientific Spaces

当前Transformer架构用的最多的注意力机制，全称为“Scaled Dot-Product Attention”，其中“Scaled”是因为在$Q,K$转置相乘之后还要除以一个$\sqrt{d}$再做Softmax（下面均不失一般性地假设$Q,K,V\in\mathbb{R}^{n\times d}$）：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{QK^{\top}}{\sqrt{d}}\right)V\label{eq:std}\end{equation}

在《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》中，我们已经初步解释了除以$\sqrt{d}$的缘由。而在这篇文章中，笔者将从“熵不变性”的角度来理解这个缩放操作，并且得到一个新的缩放因子。在MLM的实验显示，新的缩放因子具有更好的长度外推性能。

熵不变性

我们将一般的Scaled Dot-Product Attention改写成
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \sum_{j=1}^n a_{i,j}\boldsymbol{v}_j,\quad a_{i,j}=\frac{e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}{\sum\limits_{j=1}^n e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}\end{equation}
其中$\lambda$是缩放因子，它跟$\boldsymbol{q}_i,\boldsymbol{k}_j$无关，但原则上可以跟长度$n$、维度$d$等参数有关，目前主流的就是$\lambda=1/\sqrt{d}$。

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在本系列的前面几篇文章中，我们已经从多个角度来理解了VAE，一般来说，用VAE是为了得到一个生成模型，或者是做更好的编码模型，这都是VAE的常规用途。但除了这些常规应用外，还有一些“小众需求”，比如用来估计$x$的概率密度，这在做压缩的时候通常会用到。

本文就从估计概率密度的角度来了解和推导一下VAE模型。

两个问题

所谓估计概率密度，就是在已知样本$x_1,x_2,\cdots,x_N\sim \tilde{p}(x)$的情况下，用一个待定的概率密度簇$q_{\theta}(x)$去拟合这批样本，拟合的目标一般是最小化负对数似然：
\begin{equation}\mathbb{E}_{x\sim \tilde{p}(x)}[-\log q_{\theta}(x)] = -\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N \log q_{\theta}(x_i)\label{eq:mle}\end{equation}

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大家都知道，BERT的MLM（Masked Language Model）任务在预训练和微调时的不一致，也就是预训练出现了[MASK]而下游任务微调时没有[MASK]，是经常被吐槽的问题，很多工作都认为这是影响BERT微调性能的重要原因，并针对性地提出了很多改进，如XL-NET、ELECTRA、MacBERT等。本文我们将从Dropout的角度来分析MLM的这种不一致性，并且提出一种简单的操作来修正这种不一致性。

同样的分析还可以用于何凯明最近提出的比较热门的MAE（Masked Autoencoder）模型，结果是MAE相比MLM确实具有更好的一致性，由此我们可以引出一种可以能加快训练速度的正则化手段。

Dropout

首先，我们重温一下Dropout。从数学上来看，Dropout是通过伯努利分布来为模型引入随机噪声的操作，所以我们也简单复习一下伯努利分布。

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顾名思义，本文将会介绍一种用于分类问题的后处理技巧——CAN（Classification with Alternating Normalization），出自论文《When in Doubt: Improving Classification Performance with Alternating Normalization》。经过笔者的实测，CAN确实多数情况下能提升多分类问题的效果，而且几乎没有增加预测成本，因为它仅仅是对预测结果的简单重新归一化操作。

有趣的是，其实CAN的思想是非常朴素的，朴素到每个人在生活中都应该用过同样的思想。然而，CAN的论文却没有很好地说清楚这个思想，只是纯粹形式化地介绍和实验这个方法。本文的分享中，将会尽量将算法思想介绍清楚。

思想例子

假设有一个二分类问题，模型对于输入$a$给出的预测结果是$p^{(a)} = [0.05, 0.95]$，那么我们就可以给出预测类别为$1$；接下来，对于输入$b$，模型给出的预测结果是$p^{(b)}=[0.5,0.5]$，这时候处于最不确定的状态，我们也不知道输出哪个类别好。

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我们知道，线性回归是比较简单的问题，它存在解析解，而它的变体逻辑回归（Logistic Regression）却没有解析解，这不能不说是一个遗憾。因为逻辑回归虽然也叫“回归”，但它实际上是用于分类问题的，而对于很多读者来说分类比回归更加常见。准确来说，我们说逻辑回归没有解析解，说的是“最大似然估计下逻辑回归没有解析解”。那么，这是否意味着，如果我们不用最大似然估计，是否能找到一个可用的解析解呢？

逻辑回归示意图

本文将会从非最大似然的角度，推导逻辑回归的一个解析解，简单的实验表明它效果不逊色于梯度下降求出来的最大似然解。此外，这个解析解还易于推广到单层Softmax多分类模型。

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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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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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不管是打比赛、做实验还是搞工程，我们经常会遇到训练集与测试集分布不一致的情况。一般来说我们会从训练集中划分出来一个验证集，通过这个验证集来调整一些超参数（参考《训练集、验证集和测试集的意义》），比如控制模型的训练轮数以防止过拟合。然而，如果验证集本身跟测试集差别比较大，那么验证集上很好的模型也不代表在测试集上很好，因此如何让划分出来验证集跟测试集的分布差异更小一些，是一个值得研究的题目。

两种情况

首先，明确一下，本文所考虑的，是能给拿到测试集数据本身、但不知道测试集标签的场景。如果是那种提交模型封闭评测的场景，我们完全看不到测试集的，那就没什么办法了。为什么会出现测试集跟训练集分布不一致的现象呢？主要有两种情况。

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