29 Dec

SquarePlus:可能是运算最简单的ReLU光滑近似

ReLU函数,也就是$\max(x,0)$,是最常见的激活函数之一,然而它在$x=0$处的不可导通常也被视为一个“槽点”。为此,有诸多的光滑近似被提出,比如SoftPlus、GeLU、Swish等,不过这些光滑近似无一例外地至少都使用了指数运算$e^x$(SoftPlus还用到了对数),从“精打细算”的角度来看,计算量还是不小的(虽然当前在GPU加速之下,我们很少去感知这点计算量了)。最近有一篇论文《Squareplus: A Softplus-Like Algebraic Rectifier》提了一个更简单的近似,称为SquarePlus,我们也来讨论讨论。

需要事先指出的是,笔者是不建议大家花太多时间在激活函数的选择和设计上的,所以虽然分享了这篇论文,但主要是提供一个参考结果,并充当一道练习题来给大家“练练手”。

定义

SquarePlus的形式很简单,只用到了加、乘、除和开方:
\begin{equation}\text{SquarePlus}(x)=\frac{x+\sqrt{x^2+b}}{2}\end{equation}

点击阅读全文...

24 Dec

概率分布的熵归一化(Entropy Normalization)

在上一篇文章《从熵不变性看Attention的Scale操作》中,我们从熵不变性的角度推导了一个新的Attention Scale,并且实验显示具有熵不变性的新Scale确实能使得Attention的外推性能更好。这时候笔者就有一个很自然的疑问:

有没有类似L2 Normalization之类的操作,可以直接对概率分布进行变换,使得保持原始分布主要特性的同时,让它的熵为指定值?

笔者带着疑问搜索了一番,发现没有类似的研究,于是自己尝试推导了一下,算是得到了一个基本满意的结果,暂称为“熵归一化(Entropy Normalization)”,记录在此,供有需要的读者参考。

幂次变换

首先,假设$n$元分布$(p_1,p_2,\cdots,p_n)$,它的熵定义为
\begin{equation}\mathcal{H} = -\sum_i p_i \log p_i = \mathbb{E}[-\log p_i]\end{equation}

点击阅读全文...

11 Dec

输入梯度惩罚与参数梯度惩罚的一个不等式

在本博客中,已经多次讨论过梯度惩罚相关内容了。从形式上来看,梯度惩罚项分为两种,一种是关于输入的梯度惩罚$\Vert\nabla_{\boldsymbol{x}} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\Vert^2$,在《对抗训练浅谈:意义、方法和思考(附Keras实现)》《泛化性乱弹:从随机噪声、梯度惩罚到虚拟对抗训练》等文章中我们讨论过,另一种则是关于参数的梯度惩罚$\Vert\nabla_{\boldsymbol{\theta}} f(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\Vert^2$,在《从动力学角度看优化算法(五):为什么学习率不宜过小?》《我们真的需要把训练集的损失降低到零吗?》等文章我们讨论过。

在相关文章中,两种梯度惩罚都声称有着提高模型泛化性能的能力,那么两者有没有什么联系呢?笔者从Google最近的一篇论文《The Geometric Occam's Razor Implicit in Deep Learning》学习到了两者的一个不等式,算是部分地回答了这个问题,并且感觉以后可能用得上,在此做个笔记。

最终结果

假设有一个$l$层的MLP模型,记为
\begin{equation}\boldsymbol{h}^{(t+1)} = g^{(t)}(\boldsymbol{W}^{(t)}\boldsymbol{h}^{(t)}+\boldsymbol{b}^{(t)})\end{equation}
其中$g^{(t)}$是当前层的激活函数,$t\in\{1,2,\cdots,l\}$,并记$\boldsymbol{h}^{(1)}$为$\boldsymbol{x}$,即模型的原始输入,为了方便后面的推导,我们记$\boldsymbol{z}^{(t+1)}=\boldsymbol{W}^{(t)}\boldsymbol{h}^{(t)}+\boldsymbol{b}^{(t)}$;参数全体为$\boldsymbol{\theta}=\{\boldsymbol{W}^{(1)},\boldsymbol{b}^{(1)},\boldsymbol{W}^{(2)},\boldsymbol{b}^{(2)},\cdots,\boldsymbol{W}^{(l)},\boldsymbol{b}^{(l)}\}$。设$f$是$\boldsymbol{h}^{(l+1)}$的任意标量函数,那么成立不等式
\begin{equation}\Vert\nabla_{\boldsymbol{x}} f\Vert^2\left(\frac{1 + \Vert \boldsymbol{h}^{(1)}\Vert^2}{\Vert\boldsymbol{W}^{(1)}\Vert^2 \Vert\nabla_{\boldsymbol{x}}\boldsymbol{h}^{(1)}\Vert^2}+\cdots+\frac{1 + \Vert \boldsymbol{h}^{(l)}\Vert^2}{\Vert\boldsymbol{W}^{(l)}\Vert^2 \Vert\nabla_{\boldsymbol{x}}\boldsymbol{h}^{(l)}\Vert^2}\right)\leq \Vert\nabla_{\boldsymbol{\theta}} f\Vert^2\label{eq:f}\end{equation}

点击阅读全文...

10 Oct

用狄拉克函数来构造非光滑函数的光滑近似

在机器学习中,我们经常会碰到不光滑的函数,但我们的优化方法通常是基于梯度的,这意味着光滑的模型可能更利于优化(梯度是连续的),所以就有了寻找非光滑函数的光滑近似的需求。事实上,本博客已经多次讨论过相关主题,比如《寻求一个光滑的最大值函数》《函数光滑化杂谈:不可导函数的可导逼近》等,但以往的讨论在方法上并没有什么通用性。

不过,笔者从最近的一篇论文《SAU: Smooth activation function using convolution with approximate identities》学习到了一种比较通用的思路:用狄拉克函数来构造光滑近似。通用到什么程度呢?理论上有可数个间断点的函数都可以用它来构造光滑近似!个人感觉还是非常有意思的。

点击阅读全文...

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。

点击阅读全文...

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。

点击阅读全文...

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)。

点击阅读全文...

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。

点击阅读全文...