24 Sep

让人惊叹的Johnson-Lindenstrauss引理:应用篇

上一篇文章中,我们比较详细地介绍了Johnson-Lindenstrauss引理(JL引理)的理论推导,这一篇我们来关注它的应用。

作为一个内容上本身就跟降维相关的结论,JL引理最基本的自然就是作为一个降维方法来用。但除了这个直接应用外,很多看似不相关的算法,比如局部敏感哈希(LSH)、随机SVD等,本质上也依赖于JL引理。此外,对于机器学习模型来说,JL引理通常还能为我们的维度选择提供一些理论解释。

降维的工具

JL引理提供了一个非常简单直接的“随机投影”降维思路:

给定$N$个向量$v_1,v_2,\cdots,v_N\in\mathbb{R}^m$,如果想要将它降到$n$维,那么只需要从$\mathcal{N}(0,1/n)$中采样一个$n\times m$矩阵$A$,然后$Av_1,Av_2,\cdots,Av_N$就是降维后的结果。

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17 Sep

让人惊叹的Johnson-Lindenstrauss引理:理论篇

今天我们来学习Johnson-Lindenstrauss引理,由于名字比较长,下面都简称“JL引理”。

个人认为,JL引理是每一个计算机科学的同学都必须了解的神奇结论之一,它是一个关于降维的著名的结果,它也是高维空间中众多反直觉的“维度灾难”现象的经典例子之一。可以说,JL引理是机器学习中各种降维、Hash等技术的理论基础,此外,在现代机器学习中,JL引理也为我们理解、调试模型维度等相关参数提供了重要的理论支撑。

对数的维度

JL引理,可以非常通俗地表达为:

通俗版JL引理: 塞下$N$个向量,只需要$\mathscr{O}(\log N)$维空间。

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24 Aug

我们知道,梯度累积是在有限显存下实现大batch_size训练的常用技巧。在之前的文章《用时间换取效果:Keras梯度累积优化器》中,我们就简单介绍过梯度累积的实现,大致的思路是新增一组参数来缓存梯度,最后用缓存的梯度来更新模型。美中不足的是,新增一组参数会带来额外的显存占用。

这几天笔者在思考优化器的时候,突然意识到:梯度累积其实可以内置在带动量的优化器中!带着这个思路,笔者对优化了进行了一些推导和实验,最后还得到一个有意思但又有点反直觉的结论:少更新几步参数,模型最终效果可能会变好!

SGDM

在正式讨论之前,我们定义函数
\begin{equation}\chi_{t/k} = \left\{ \begin{aligned}&1,\quad t \equiv 0\,(\text{mod}\, k) \\
&0,\quad t \not\equiv 0\,(\text{mod}\, k)
\end{aligned}\right.\end{equation}
也就是说,$t$是一个整数,当它是$k$的倍数时,$\chi_{t/k}=1$,否则$\chi_{t/k}=0$,这其实就是一个$t$能否被$k$整除的示性函数。在后面的讨论中,我们将反复用到这个函数。

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17 Aug

浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化

前几天在训练一个新的Transformer模型的时候,发现怎么训都不收敛了。经过一番debug,发现是在做Self Attention的时候$\boldsymbol{Q}\boldsymbol{K}^{\top}$之后忘记除以$\sqrt{d}$了,于是重新温习了一下为什么除以$\sqrt{d}$如此重要的原因。当然,Google的T5确实是没有除以$\sqrt{d}$的,但它依然能够正常收敛,那是因为它在初始化策略上做了些调整,所以这个事情还跟初始化有关。

藉着这个机会,本文跟大家一起梳理一下模型的初始化、参数化和标准化等内容,相关讨论将主要以Transformer为心中展开。

采样分布

初始化自然是随机采样的的,所以这里先介绍一下常用的采样分布。一般情况下,我们都是从指定均值和方差的随机分布中进行采样来初始化。其中常用的随机分布有三个:正态分布(Normal)、均匀分布(Uniform)和截尾正态分布(Truncated Normal)。

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9 Aug

线性Transformer应该不是你要等的那个模型

在本博客中,我们已经多次讨论过线性Attention的相关内容。介绍线性Attention的逻辑大体上都是:标准Attention具有$\mathscr{O}(n^2)$的平方复杂度,是其主要的“硬伤”之一,于是我们$\mathscr{O}(n)$复杂度的改进模型,也就是线性Attention。有些读者看到线性Attention的介绍后,就一直很期待我们发布基于线性Attention的预训练模型,以缓解他们被BERT的算力消耗所折腾的“死去活来”之苦。

然而,本文要说的是:抱有这种念头的读者可能要失望了,标准Attention到线性Attention的转换应该远远达不到你的预期,而BERT那么慢的原因也并不是因为标准Attention的平方复杂度。

BERT之反思

按照直观理解,平方复杂度换成线性复杂度不应该要“突飞猛进”才对嘛?怎么反而“远远达不到预期”?出现这个疑惑的主要原因,是我们一直以来都没有仔细评估一下常规的Transformer模型(如BERT)的整体计算量。

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22 Jul

概率视角下的线性模型:逻辑回归有解析解吗?

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

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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17 Jun

对比学习可以使用梯度累积吗?

在之前的文章《用时间换取效果:Keras梯度累积优化器》中,我们介绍过“梯度累积”,它是在有限显存下实现大batch_size效果的一种技巧。一般来说,梯度累积适用的是loss是独立同分布的场景,换言之每个样本单独计算loss,然后总loss是所有单个loss的平均或求和。然而,并不是所有任务都满足这个条件的,比如最近比较热门的对比学习,每个样本的loss还跟其他样本有关。

那么,在对比学习场景,我们还可以使用梯度累积来达到大batch_size的效果吗?本文就来分析这个问题。

简介

一般情况下,对比学习的loss可以写为
\begin{equation}\mathcal{L}=-\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}\log p_{i,j} = -\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}\log \frac{e^{s_{i,j}}}{\sum\limits_j e^{s_{i,j}}}=-\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}s_{i,j} + \sum_{i=1}^b \log\sum_{j=1}^b e^{s_{i,j}}\label{eq:loss}\end{equation}
这里的$b$是batch_size;$t_{i,j}$是事先给定的标签,满足$t_{i,j}=t_{j,i}$,它是一个one hot矩阵,每一列只有一个1,其余都为0;而$s_{i,j}$是样本$i$和样本$j$的相似度,满足$s_{i,j}=s_{j,i}$,一般情况下还有个温度参数,这里假设温度参数已经整合到$s_{i,j}$中,从而简化记号。模型参数存在于$s_{i,j}$中,假设为$\theta$。

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2 Jun

我们可以无损放大一个Transformer模型吗(一)

看了标题,可能读者会有疑惑,大家不都想着将大模型缩小吗?怎么你想着将小模型放大了?其实背景是这样的:通常来说更大的模型加更多的数据确实能起得更好的效果,然而算力有限的情况下,从零预训练一个大的模型时间成本太大了,如果还要调试几次参数,那么可能几个月就过去了。

这时候“穷人思维”就冒出来了(土豪可以无视):能否先训练一个同样层数的小模型,然后放大后继续训练?这样一来,预训练后的小模型权重经过放大后,就是大模型一个起点很高的初始化权重,那么大模型阶段的训练步数就可以减少了,从而缩短整体的训练时间。

那么,小模型可以无损地放大为一个大模型吗?本文就来从理论上分析这个问题。

含义

有的读者可能想到:这肯定可以呀,大模型的拟合能力肯定大于小模型呀。的确,从拟合能力角度来看,这件事肯定是可以办到的,但这还不是本文关心的“无损放大”的全部。

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