6 Aug

让Keras更酷一些!Keras模型杂谈

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。

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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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18 Jul

用变分推断统一理解生成模型(VAE、GAN、AAE、ALI)

前言:我小学开始就喜欢纯数学,后来也喜欢上物理,还学习过一段时间的理论物理,直到本科毕业时,我才慢慢进入机器学习领域。所以,哪怕在机器学习领域中,我的研究习惯还保留着数学和物理的风格:企图从最少的原理出发,理解、推导尽可能多的东西。这篇文章是我这个理念的结果之一,试图以变分推断作为出发点,来统一地理解深度学习中的各种模型,尤其是各种让人眼花缭乱的GAN。本文已经挂到arxiv上,需要读英文原稿的可以移步到《Variational Inference: A Unified Framework of Generative Models and Some Revelations》

下面是文章的介绍。其实,中文版的信息可能还比英文版要稍微丰富一些,原谅我这蹩脚的英语...

摘要:本文从一种新的视角阐述了变分推断,并证明了EM算法、VAE、GAN、AAE、ALI(BiGAN)都可以作为变分推断的某个特例。其中,论文也表明了标准的GAN的优化目标是不完备的,这可以解释为什么GAN的训练需要谨慎地选择各个超参数。最后,文中给出了一个可以改善这种不完备性的正则项,实验表明该正则项能增强GAN训练的稳定性。

近年来,深度生成模型,尤其是GAN,取得了巨大的成功。现在我们已经可以找到数十个乃至上百个GAN的变种。然而,其中的大部分都是凭着经验改进的,鲜有比较完备的理论指导。

本文的目标是通过变分推断来给这些生成模型建立一个统一的框架。首先,本文先介绍了变分推断的一个新形式,这个新形式其实在博客以前的文章中就已经介绍过,它可以让我们在几行字之内导出变分自编码器(VAE)和EM算法。然后,利用这个新形式,我们能直接导出GAN,并且发现标准GAN的loss实则是不完备的,缺少了一个正则项。如果没有这个正则项,我们就需要谨慎地调整超参数,才能使得模型收敛。

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7 Jul

从SamplePairing到mixup:神奇的正则项

SamplePairingmixup是两种一脉相承的图像数据扩增手段,它们看起来很不合理,而操作则非常简单,但结果却非常漂亮:在多个图像分类任务中都表明它们能提高最终分类模型的精度。

某些读者会困惑于一个问题:为什么如此不合理的数据扩增手段,能得到如此好的效果?而本文则要表明,它们看起来是一种数据扩增方法,事实上它们是对模型的一种正则化方案。正如周星驰的电影《国产凌凌漆》的一句经典台词:

表面上看这是一个吹风机,其实它是一个刮胡刀。

数据扩增

让我们从数据扩增说起。数据扩增是指我们在对原始数据做一些简单的变换后,它们对应的类别往往不会变化,所以我们可以在原来数据的基础上,“造”出更多的数据来。比如一幅小狗的照片,将它水平翻转、轻微的旋转、裁剪、平移等操作后,我们认为它的类别没有变化,它还是原来的那只狗。这样一来,从一个样本我们可以衍生出好几个样本,从而增加了训练样本量。

狗

旋转的狗

旋转的狗

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23 Jun

貌离神合的RNN与ODE:花式RNN简介

本来笔者已经决心不玩RNN了,但是在上个星期思考时忽然意识到RNN实际上对应了ODE(常微分方程)的数值解法,这为我一直以来想做的事情——用深度学习来解决一些纯数学问题——提供了思路。事实上这是一个颇为有趣和有用的结果,遂介绍一翻。顺便地,本文也涉及到了自己动手编写RNN的内容,所以本文也可以作为编写自定义的RNN层的一个简单教程

注:本文并非前段时间的热点“神经ODE”的介绍(但有一定的联系)。

RNN基本

什么是RNN?

众所周知,RNN是“循环神经网络(Recurrent Neural Network)”,跟CNN不同,RNN可以说是一类模型的总称,而并非单个模型。简单来讲,只要是输入向量序列$(\boldsymbol{x}_1,\boldsymbol{x}_2,\dots,\boldsymbol{x}_T)$,输出另外一个向量序列$(\boldsymbol{y}_1,\boldsymbol{y}_2,\dots,\boldsymbol{y}_T)$,并且满足如下递归关系
$$\boldsymbol{y}_t=f(\boldsymbol{y}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t, t)\tag{1}$$
的模型,都可以称为RNN。也正因为如此,原始的朴素RNN,还有改进的如GRU、LSTM、SRU等模型,我们都称为RNN,因为它们都可以作为上式的一个特例。还有一些看上去与RNN没关的内容,比如前不久介绍的CRF的分母的计算,实际上也是一个简单的RNN。

说白了,RNN其实就是递归计算

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31 May

基于最小熵原理的NLP库:nlp zero

陆陆续续写了几篇最小熵原理的博客,致力于无监督做NLP的一些基础工作。为了方便大家实验,把文章中涉及到的一些算法封装为一个库,供有需要的读者测试使用。

由于面向的是无监督NLP场景,而且基本都是NLP任务的基础工作,因此命名为nlp zero。

地址

Github: https://github.com/bojone/nlp-zero
Pypi: https://pypi.org/project/nlp-zero/

可以直接通过

pip install nlp-zero==0.1.6

进行安装。整个库纯Python实现,没有第三方调用,支持Python2.x和3.x。

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30 May

在前一文《最小熵原理(二):“当机立断”之词库构建》中,我们以最小熵原理为出发点进行了一系列的数学推导,最终得到$(2.15)$和$(2.17)$式,它告诉我们两个互信息比较大的元素我们应该将它们合并起来,这有利于降低“学习难度”。于是利用这一原理,我们通过邻字互信息来实现了词库的无监督生成。

由字到词、由词到词组,考察的是相邻的元素能不能合并成一个好“套路”。可是套路为什么非得要相邻的呢?当然不一定相邻,我们学习语言的时候,不仅仅会学习到词语、词组,还要学习到“固定搭配”,也就是说词语怎么运用才是合理的,这是语法的体现,是本文所要探究的,希望最终能达到一定的无监督句法分析的效果。

由于这次我们考虑的是跨邻词的语言关联,因此我给它起个名字为“飞象过河”,正是

“套路宝典”第二式——“飞象过河”

语言结构

对于大多数人来说,并不会真正知道什么是语法,他们脑海里就只有一些“固定搭配”、“定式”,或者更正式一点可以叫“模版”。大多数情况下,我们是根据模版来说出合理的话来。而不同的人的说话模版可能有所不同,这就是个人的说话风格,甚至是“口头禅”。

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18 May

简明条件随机场CRF介绍(附带纯Keras实现)

笔者去年曾写过博文《果壳中的条件随机场(CRF In A Nutshell)》,以一种比较粗糙的方式介绍了一下条件随机场(CRF)模型。然而那篇文章显然有很多不足的地方,比如介绍不够清晰,也不够完整,还没有实现,在这里我们重提这个模型,将相关内容补充完成。

本文是对CRF基本原理的一个简明的介绍。当然,“简明”是相对而言中,要想真的弄清楚CRF,免不了要提及一些公式,如果只关心调用的读者,可以直接移到文末。

图示

按照之前的思路,我们依旧来对比一下普通的逐帧softmax和CRF的异同。

逐帧softmax

CRF主要用于序列标注问题,可以简单理解为是给序列中的每一帧都进行分类,既然是分类,很自然想到将这个序列用CNN或者RNN进行编码后,接一个全连接层用softmax激活,如下图所示

逐帧softmax并没有直接考虑输出的上下文关联

逐帧softmax并没有直接考虑输出的上下文关联

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