科学空间|Scientific Spaces

提高模型的泛化性能是机器学习致力追求的目标之一。常见的提高泛化性的方法主要有两种：第一种是添加噪声，比如往输入添加高斯噪声、中间层增加Dropout以及进来比较热门的对抗训练等，对图像进行随机平移缩放等数据扩增手段某种意义上也属于此列；第二种是往loss里边添加正则项，比如$L_1, L_2$惩罚、梯度惩罚等。本文试图探索几种常见的提高泛化性能的手段的关联。

随机噪声

我们记模型为$f(x)$，$\mathcal{D}$为训练数据集合，$l(f(x), y)$为单个样本的loss，那么我们的优化目标是
\begin{equation}\mathop{\arg\min}_{\theta} L(\theta)=\mathbb{E}_{(x,y)\sim \mathcal{D}}[l(f(x), y)]\end{equation}
$\theta$是$f(x)$里边的可训练参数。假如往模型输入添加噪声$\varepsilon$，其分布为$q(\varepsilon)$，那么优化目标就变为
\begin{equation}\mathop{\arg\min}_{\theta} L_{\varepsilon}(\theta)=\mathbb{E}_{(x,y)\sim \mathcal{D}, \varepsilon\sim q(\varepsilon)}[l(f(x + \varepsilon), y)]\end{equation}
当然，可以添加噪声的地方不仅仅是输入，也可以是中间层，也可以是权重$\theta$，甚至可以是输出$y$（等价于标签平滑），噪声也不一定是加上去的，比如Dropout是乘上去的。对于加性噪声来说，$q(\varepsilon)$的常见选择是均值为0、方差固定的高斯分布；而对于乘性噪声来说，常见选择是均匀分布$U([0,1])$或者是伯努利分布。

添加随机噪声的目的很直观，就是希望模型能学会抵御一些随机扰动，从而降低对输入或者参数的敏感性，而降低了这种敏感性，通常意味着所得到的模型不再那么依赖训练集，所以有助于提高模型泛化性能。

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自《Attention is All You Need》一文发布后，基于Multi-Head Attention的Transformer模型开始流行起来，而去年发布的BERT模型更是将Transformer模型的热度推上了又一个高峰。当然，技术的探索是无止境的，改进的工作也相继涌现：有改进预训练任务的，比如XLNET的PLM、ALBERT的SOP等；有改进归一化的，比如Post-Norm向Pre-Norm的改变，以及T5中去掉了Layer Norm里边的beta参数等；也有改进模型结构的，比如Transformer-XL等；有改进训练方式的，比如ALBERT的参数共享等；...

以上的这些改动，都是在Attention外部进行改动的，也就是说它们都默认了Attention的合理性，没有对Attention本身进行改动。而本文我们则介绍关于两个新结果：它们针对Multi-Head Attention中可能存在建模瓶颈，提出了不同的方案来改进Multi-Head Attention。两篇论文都来自Google，并且做了相当充分的实验，因此结果应该是相当有说服力的了。

再小也不能小key_size

第一个结果来自文章《Low-Rank Bottleneck in Multi-head Attention Models》，它明确地指出了Multi-Head Attention里边的表达能力瓶颈，并提出通过增大key_size的方法来缓解这个瓶颈。

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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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昨天群里大家讨论到了$n$维向量的一些反直觉现象，其中一个话题是“一般$n$维空间下两个随机向量几乎都是垂直的”，这就跟二维/三维空间的认知有明显出入了。要从理论上认识这个结论，我们可以考虑两个随机向量的夹角$\theta$分布，并算算它的均值方差。

概率密度

首先，我们来推导$\theta$的概率密度函数。呃，其实也不用怎么推导，它是$n$维超球坐标的一个直接结论。

要求两个随机向量之间的夹角分布，很显然，由于各向同性，所以我们只需要考虑单位向量，而同样是因为各向同性，我们只需要固定其中一个向量，考虑另一个向量随机变化。不是一般性，考虑随机向量为
\begin{equation}\boldsymbol{x}=(x_1,x_2,\dots,x_n)\end{equation}
而固定向量为
\begin{equation}\boldsymbol{y}=(1,0,\dots,0)\end{equation}

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前几天，在机器之心看到这样的一个推送《彻底解决梯度爆炸问题，新方法不用反向传播也能训练ResNet》，当然，媒体的标题党作风我们暂且无视，主要看内容即可。机器之心的这篇文章，介绍的是论文《The HSIC Bottleneck: Deep Learning without Back-Propagation》的成果，里边提出了一种通过HSIC Bottleneck来训练神经网络的算法。

坦白说，这篇论文笔者还没有看明白，因为对笔者来说里边的新概念有点多了。不过论文中的“HSIC”这个概念引起了笔者的兴趣。经过学习，终于基本地理解了这个HSIC的含义和来龙去脉，于是就有了本文，试图给出HSIC的一个尽可能通俗（但可能不严谨）的理解。

背景

HSIC全称“Hilbert-Schmidt independence criterion”，中文可以叫做“希尔伯特-施密特独立性指标”吧，跟互信息一样，它也可以用来衡量两个变量之间的独立性。

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对于大多数读者（包括笔者）来说，他们接触到的第一个有偏估计量，应该是方差
\begin{equation}\hat{\sigma}^2_{\text{有偏}} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n \left(x_i - \hat{\mu}\right)^2,\quad \hat{\mu} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i\label{eq:youpianfangcha}\end{equation}
然后又了解到对应的无偏估计应该是
\begin{equation}\hat{\sigma}^2_{\text{无偏}} = \frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n \left(x_i - \hat{\mu}\right)^2\label{eq:wupianfangcha}\end{equation}
在很多人的眼里，公式$\eqref{eq:youpianfangcha}$才是合理的，怎么就有偏了？公式$\eqref{eq:wupianfangcha}$将$n$换成反直觉的$n-1$，反而就无偏了？

下面试图用尽量清晰的语言讨论一下无偏估计和有偏估计两个概念。

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最近在用VAE处理一些文本问题的时候遇到了对离散形式的后验分布求期望的问题，于是沿着“离散分布 + 重参数”这个思路一直搜索下去，最后搜到了Gumbel Softmax，从对Gumbel Softmax的学习过程中，把重参数的相关内容都捋了一遍，还学到一些梯度估计的新知识，遂记录在此。

文章从连续情形出发开始介绍重参数，主要的例子是正态分布的重参数；然后引入离散分布的重参数，这就涉及到了Gumbel Softmax，包括Gumbel Softmax的一些证明和讨论；最后再讲讲重参数背后的一些故事，这主要跟梯度估计有关。

基本概念

重参数（Reparameterization）实际上是处理如下期望形式的目标函数的一种技巧：
\begin{equation}L_{\theta}=\mathbb{E}_{z\sim p_{\theta}(z)}[f(z)]\label{eq:base}\end{equation}
这样的目标在VAE中会出现，在文本GAN也会出现，在强化学习中也会出现（$f(z)$对应于奖励函数），所以深究下去，我们会经常碰到这样的目标函数。取决于$z$的连续性，它对应不同的形式：
\begin{equation}\int p_{\theta}(z) f(z)dz\,\,\,\text{(连续情形)}\qquad\qquad \sum_{z} p_{\theta}(z) f(z)\,\,\,\text{(离散情形)}\end{equation}
当然，离散情况下我们更喜欢将记号$z$换成$y$或者$c$。

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本文的模型在ImageNet(128x128)上的条件生成效果

今天要介绍的结果还是跟能量模型相关，来自论文《Implicit Generation and Generalization in Energy-Based Models》。当然，它已经跟GAN没有什么关系了，但是跟本系列第二篇所介绍的能量模型关系较大，所以还是把它放到这个系列好了。

我当初留意到这篇论文，是因为机器之心的报导《MIT本科学神重启基于能量的生成模型，新框架堪比GAN》，但是说实在的，这篇文章没什么意思，说句不中听的，就是炒冷饭系列，媒体的标题也算中肯，是“重启”。这篇文章就是指出能量模型实际上就是某个特定的Langevin方程的静态解，然后就用这个Langevin方程来实现采样，有了采样过程也就可以完成能量模型的训练，这些理论都是现成的，所以这个过程我在学习随机微分方程的时候都想过，我相信很多人也都想过。因此，我觉得作者的贡献就是把这个直白的想法通过一系列炼丹技巧实现了。

但不管怎样，能训练出来也是一件很不错的事情，另外对于之前没了解过相关内容的读者来说，这确实也算是一个不错的能量模型案例，所以我论文的整体思路整理一下，让读者能够更全面地理解能量模型。

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