科学空间|Scientific Spaces

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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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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这两周投入了比较多的精力去做bert4keras的开发，除了一些API的规范化工作外，其余的主要工作量是构建预训练部分的代码。在昨天，预训练代码基本构建完毕，并同时在TPU/多GPU环境下测试通过，从而有志（有算力）改进预训练模型的同学多了一个选择。——这可能是目前最为清晰易懂的bert及其预训练代码。

预训练代码链接： https://github.com/bojone/bert4keras/tree/master/pretraining

经过这两周的开发（填坑），笔者的最大感想就是：Keras已经成为了tensorflow的黄金标准了。只要你的代码按照Keras的标准规范写，那可以轻松迁移到tf.keras中去，继而可以非常轻松地在TPU或多GPU环境下训练，真正的几乎是一劳永逸。相反，如果你的写法过于灵活，包括像笔者之前介绍的很多“移花接木”式的Keras技巧，就可能会有不少问题，甚至可能出现的一种情况是：就算你已经在多GPU上跑通了，在TPU上你也死活调不通。

Keras和Tensorflow

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在我看来，几大顶会之中，ICLR的论文通常是最有意思的，因为它们的选题和风格基本上都比较轻松活泼、天马行空，让人有脑洞大开之感。所以，ICLR2020的投稿论文列表出来之后，我也抽时间粗略过了一下这些论文，确实发现了不少有意思的工作。

其中，我发现了两篇利用去噪自编码器的思想做生成模型的论文，分别是《Learning Generative Models using Denoising Density Estimators》和《Annealed Denoising Score Matching: Learning Energy-Based Models in High-Dimensional Spaces》。由于常规做生成模型的思路我基本都有所了解，所以这种“别具一格”的思路就引起了我的兴趣。细读之下，发现两者的出发点是一致的，但是具体做法又有所不同，最终的落脚点又是一样的，颇有“一题多解”的美妙，遂将这两篇论文放在一起，对比分析一翻。

fashion mnist、CelebA、cifar10上的生成效果

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多进程或者多线程等并行加速目前已经不是什么难事了，相信很多读者都体验过。一般来说，我们会有这样的结论：多进程的加速比很难达到1。换句话说，当你用10进程去并行跑一个任务时，一般只能获得不到10倍的加速，而且进程越多，这个加速比往往就越低。

要注意，我们刚才说“很难达到1”，说明我们的潜意识里就觉得加速比最多也就是1。理论上确实是的，难不成用10进程还能获得20倍的加速？这不是天上掉馅饼吗？不过我前几天确实碰到了一个加速比远大于1的例子，所以在这里跟大家分享一下。

词频统计

我的原始任务是统计词频：我有很多文章，然后我们要对这些文章进行分词，最后汇总出一个词频表出来。一般的写法是这样的：

tokens = {}

for text in read_texts():
    for token in tokenize(text):
        tokens[token] = tokens.get(token, 0) + 1

这种写法在我统计THUCNews全部文章的词频时，大概花了20分钟。

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让我们不厌其烦地回顾一下：最小熵原理是一个无监督学习的原理，“熵”就是学习成本，而降低学习成本是我们的不懈追求，所以通过“最小化学习成本”就能够无监督地学习出很多符合我们认知的结果，这就是最小熵原理的基本理念。

这篇文章里，我们会介绍一种相当漂亮的聚类算法，它同样也体现了最小熵原理，或者说它可以通过最小熵原理导出来，名为InfoMap，或者MapEquation。事实上InfoMap已经是2007年的成果了，最早的论文是《Maps of random walks on complex networks reveal community structure》，虽然看起来很旧，但我认为它仍是当前最漂亮的聚类算法，因为它不仅告诉了我们“怎么聚类”，更重要的是给了我们一个“为什么要聚类”的优雅的信息论解释，并从这个解释中直接导出了整个聚类过程。

一个复杂有向图网络示意图。图片来自InfoMap最早的论文《Maps of random walks on complex networks reveal community structure》

当然，它的定位并不仅仅局限在聚类上，更准确地说，它是一种图网络上的“社区发现”算法。所谓社区发现（Community Detection），大概意思是给定一个有向/无向图网络，然后找出这个网络上的“抱团”情况，至于详细含义，大家可以自行搜索一下。简单来说，它跟聚类相似，但是比聚类的含义更丰富。（还可以参考《什么是社区发现?》）

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BN，也就是Batch Normalization，是当前深度学习模型（尤其是视觉相关模型）的一个相当重要的技巧，它能加速训练，甚至有一定的抗过拟合作用，还允许我们用更大的学习率，总的来说颇多好处（前提是你跑得起较大的batch size）。

那BN究竟是怎么起作用呢？早期的解释主要是基于概率分布的，大概意思是将每一层的输入分布都归一化到$\mathcal{N}(0,1)$上，减少了所谓的Internal Covariate Shift，从而稳定乃至加速了训练。这种解释看上去没什么毛病，但细思之下其实有问题的：不管哪一层的输入都不可能严格满足正态分布，从而单纯地将均值方差标准化无法实现标准分布$\mathcal{N}(0,1)$；其次，就算能做到$\mathcal{N}(0,1)$，这种诠释也无法进一步解释其他归一化手段（如Instance Normalization、Layer Normalization）起作用的原因。

在去年的论文《How Does Batch Normalization Help Optimization?》里边，作者明确地提出了上述质疑，否定了原来的一些观点，并提出了自己关于BN的新理解：他们认为BN主要作用是使得整个损失函数的landscape更为平滑，从而使得我们可以更平稳地进行训练。

本博文主要也是分享这篇论文的结论，但论述方法是笔者“闭门造车”地构思的。窃认为原论文的论述过于晦涩了，尤其是数学部分太不好理解，所以本文试图尽可能直观地表达同样观点。

（注：阅读本文之前，请确保你已经清楚知道BN是什么，本文不再重复介绍BN的概念和流程。）

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今天我们继续来深挖Keras，再次体验Keras那无与伦比的优雅设计。这一次我们的焦点是“重用”，主要是层与模型的重复使用。

所谓重用，一般就是奔着两个目标去：一是为了共享权重，也就是说要两个层不仅作用一样，还要共享权重，同步更新；二是避免重写代码，比如我们已经搭建好了一个模型，然后我们想拆解这个模型，构建一些子模型等。

基础

事实上，Keras已经为我们考虑好了很多，所以很多情况下，掌握好基本用法，就已经能满足我们很多需求了。

层的重用

层的重用是最简单的，将层初始化好，存起来，然后反复调用即可：

x_in = Input(shape=(784,))
x = x_in

layer = Dense(784, activation='relu') # 初始化一个层，并存起来

x = layer(x) # 第一次调用
x = layer(x) # 再次调用
x = layer(x) # 再次调用

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