20 May

函数光滑化杂谈:不可导函数的可导逼近

一般来说,神经网络处理的东西都是连续的浮点数,标准的输出也是连续型的数字。但实际问题中,我们很多时候都需要一个离散的结果,比如分类问题中我们希望输出正确的类别,“类别”是离散的,“类别的概率”才是连续的;又比如我们很多任务的评测指标实际上都是离散的,比如分类问题的正确率和F1、机器翻译中的BLEU,等等。

还是以分类问题为例,常见的评测指标是正确率,而常见的损失函数是交叉熵。交叉熵的降低与正确率的提升确实会有一定的关联,但它们不是绝对的单调相关关系。换句话说,交叉熵下降了,正确率不一定上升。显然,如果能用正确率的相反数做损失函数,那是最理想的,但正确率是不可导的(涉及到$\arg\max$等操作),所以没法直接用。

这时候一般有两种解决方案;一是动用强化学习,将正确率设为奖励函数,这是“用牛刀杀鸡”的方案;另外一种是试图给正确率找一个光滑可导的近似公式。本文就来探讨一下常见的不可导函数的光滑近似,有时候我们称之为“光滑化”,有时候我们也称之为“软化”。

max

后面谈到的大部分内容,基础点就是$\max$操作的光滑近似,我们有:
\begin{equation}\max(x_1,x_2,\dots,x_n) = \lim_{K\to +\infty}\frac{1}{K}\log\left(\sum_{i=1}^n e^{K x_i}\right)\end{equation}

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28 Mar

分享:用LaTeX+MathJax画一个三维三阶环方

昨天看到数学研发论坛在讨论三维三阶幻方,论坛里的各大牛都已经讨论得差不多了,我也没什么好插话的。然后突发奇想,能不能用纯LaTeX画出一个这样的立体幻方出来?

昨天下午折腾了好一会儿,最后只抛出了个半成品,然后经过论坛的mathe大佬继续完善后,终于成功地画出来了:
$$\begin{array}{ccccccccccc}
& & & & 4 & —& —& — & — & 25 & —& —& — & — & 11
\\
& & & \require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & && &\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} && &&\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} &|
\\
& & 14 & — & — & —& — & 22 & — & — & — & —& 7 & & |
\\
& \require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}}& &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & &\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}}& & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}}&&\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} & | & & | \\
24 & — & —& —& — & 1 & —& —& — & — & 18 & & | & & |\\
|& & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & &\color{red}{13} &| & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} &\color{red}{27} & | & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} & | &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}&5\\
|& & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & \require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & | & & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &| & & |&\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} &|\\
|& & \color{red}{8} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}& | &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} & \color{red}{12} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}& | &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}&22&&|\\
|&\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & | &\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}}& | &\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|} & | &&|\\
15 & — & —& —& — & 3 & — & — & —& —& 21 & & | & &|\\
|& & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & & \color{red}{9} &| &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} & \color{red}{26} &|&\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}&|&\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}&6\\
|& & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}}&\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} & &| & &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &\require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &&|&&|&\style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|}\\
|& &\color{red}{16} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}} &|&\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}& \color{red}{8} &\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}&\require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}& | & \require{HTML} \style{display: inline-block; opacity:0.5;}{\color{red}{\cdots}}&17\\
|& \require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}}& & & &|& \require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg); opacity:0.5;}{\color{red}{\vdots}} &&&& | & \require{HTML} \style{display: inline-block; transform: rotate(45deg)}{|}\\
23 & — & — & — & — & 2 & — & — & — & — & 19\\
\end{array}$$

事实上代码里边还内嵌了一些HTML代码,所以不算是严格的纯LaTeX代码,应该说是LaTeX+MathJax的结合。

1 Mar

构造一个显式的、总是可逆的矩阵

《恒等式 det(exp(A)) = exp(Tr(A)) 赏析》一文我们得到矩阵$\exp(\boldsymbol{A})$总是可逆的,它的逆就是$\exp(-\boldsymbol{A})$。问题是$\exp(\boldsymbol{A})$只是一个理论定义,单纯这样写没有什么价值,因为它要把每个$\boldsymbol{A}^n$都算出来。

有没有什么具体的例子呢?有,本文来构造一个显式的、总是可逆的矩阵。

其实思路非常简单,假设$\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}$是两个$k$维列向量,那么$\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}$就是一个$k\times k$的矩阵,我们就来考虑
\begin{equation}\begin{aligned}\exp\left(\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\right)=&\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\right)^n}{n!}\\
=&\boldsymbol{I}+\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}+\frac{\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}}{2}+\frac{\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}\boldsymbol{x}\boldsymbol{y}^{\top}}{6}+\dots\end{aligned}\end{equation}

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18 Feb

恒等式 det(exp(A)) = exp(Tr(A)) 赏析

本文的主题是一个有趣的矩阵行列式的恒等式
\begin{equation}\det(\exp(\boldsymbol{A})) = \exp(\text{Tr}(\boldsymbol{A}))\label{eq:main}\end{equation}
这个恒等式在挺多数学和物理的计算中都出现过,笔者都在不同的文献中看到过好几次了。

注意左端是矩阵的指数,然后求行列式,这两步都是计算量非常大的运算;右端仅仅是矩阵的迹(一个标量),然后再做标量的指数。两边的计算量差了不知道多少倍,然而它们居然是相等的!这不得不说是一个神奇的事实。

所以,本文就来好好欣赏一个这个恒等式。

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20 Jan

从Wasserstein距离、对偶理论到WGAN

推土机哪家强?成本最低找Wasserstein

推土机哪家强?成本最低找Wasserstein

2017年的时候笔者曾写过博文《互怼的艺术:从零直达WGAN-GP》,从一个相对通俗的角度来介绍了WGAN,在那篇文章中,WGAN更像是一个天马行空的结果,而实际上跟Wasserstein距离没有多大关系。

在本篇文章中,我们再从更数学化的视角来讨论一下WGAN。当然,本文并不是纯粹地讨论GAN,而主要侧重于Wasserstein距离及其对偶理论的理解。本文受启发于著名的国外博文《Wasserstein GAN and the Kantorovich-Rubinstein Duality》,内容跟它大体上相同,但是删除了一些冗余的部分,对不够充分或者含糊不清的地方作了补充。不管怎样,在此先对前辈及前辈的文章表示致敬。

注:完整理解本文,应该需要多元微积分、概率论以及线性代数等基础知识。还有,本文确实长,数学公式确实多,但是,真的不复杂、不难懂,大家不要看到公式就吓怕了~)

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8 Jan

最近把优化算法跟动力学结合起来思考得越来越起劲了,这是优化算法与动力学系列的第三篇,我有预感还会有第4篇,敬请期待~

简单来个剧情回顾:第一篇中我们指出了其实SGD相当于常微分方程(ODE)的数值解法:欧拉法;第二篇我们还是数值解法的误差分析的角度,分析了为什么可以通过梯度来调节学习率,因此也就解释了RMSprop、Adam等算法中,用梯度调节学习率的原理。

本文将给出一个更统一的观点来看待这两个事情,并且试图回答一个更本质的问题:为什么是梯度下降?

(注:本文的讨论没有涉及到动量加速部分。)

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20 Dec

《从动力学角度看优化算法(一):从SGD到动量加速》一文中,我们提出SGD优化算法跟常微分方程(ODE)的数值解法其实是对应的,由此还可以很自然地分析SGD算法的收敛性质、动量加速的原理等等内容。

在这篇文章中,我们继续沿着这个思路,去理解优化算法中的自适应学习率算法。

RMSprop

首先,我们看一个非常经典的自适应学习率优化算法:RMSprop。RMSprop虽然不是最早提出的自适应学习率的优化算法,但是它却是相当实用的一种,它是诸如Adam这样的更综合的算法的基石,通过它我们可以观察自适应学习率的优化算法是怎么做的。

算法概览

一般的梯度下降是这样的:
$$\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{n+1}=\boldsymbol{\theta}_{n} - \gamma \nabla_{\boldsymbol{\theta}} L(\boldsymbol{\theta}_{n})\end{equation}$$
很明显,这里的$\gamma$是一个超参数,便是学习率,它可能需要在不同阶段做不同的调整。

而RMSprop则是
$$\begin{equation}\begin{aligned}\boldsymbol{g}_{n+1} =& \nabla_{\boldsymbol{\theta}} L(\boldsymbol{\theta}_{n})\\
\boldsymbol{G}_{n+1}=&\lambda \boldsymbol{G}_{n} + (1 - \lambda) \boldsymbol{g}_{n+1}\otimes \boldsymbol{g}_{n+1}\\
\boldsymbol{\theta}_{n+1}=&\boldsymbol{\theta}_{n} - \frac{\tilde{\gamma}}{\sqrt{\boldsymbol{G}_{n+1} + \epsilon}}\otimes \boldsymbol{g}_{n+1}
\end{aligned}\end{equation}$$

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16 Oct

再谈非方阵的行列式

几年前,笔者曾经以自己对矩阵的粗浅理解写了一个“理解矩阵”系列,其中有一篇《为什么只有方阵有行列式?》讨论了非方阵的行列式问题,里边给出了“非方针的行列式不好看”和“方阵的行列式就够了”的观点。本文来再次思考这个问题。

首先回顾方阵的行列式,其实行列式最重要的价值在于它的几何意义:

n维方阵的行列式的绝对值,等于它的各个行(或列)向量所张成的n维立体的超体积。

这个几何意义是行列式的一切重要性的源头,相关的讨论可以参考《行列式的点滴》,它也是我们讨论非方阵行列式的基础。

分析

对于方阵$\boldsymbol{A}_{n\times n}$来说,可以将它看成$n$个行向量的组合,也可以看成$n$个列向量的组合,不管是哪一种,行列式的绝对值都等于这$n$个向量所张成的$n$维立体的超体积。换句话说,对于方阵来说,行、列向量的区分不改变行列式。

对于非方阵$\boldsymbol{B}_{n \times k}$就不一样了,不失一般性,假设$n > k$。我们可以将它看成$n$个$k$维列向量的组合,也可以看成$k$个$n$维行向量的组合。非方针的行列式,应该也具有同样含义,即它们所张成的立体的超体积。

我们来看第一种情况,如果看成$n$个$k$维列向量,那么就得视为这$n$个向量张成的$n$维体的超体积了,但是要注意$n > k$,因此这$n$个向量必然线性相关,因此它们根本就张不成一个$n$维体,也许是一个$n-1$维体甚至更低,这样一来,它的$n$维体的超体积自然为0。

但是第二种情况就没有那么平凡了。如果看成$k$个$n$维行向量,那么这$k$个向量虽然是$n$维的,但它们张成的是一个$k$维体,这$k$维体的超体积未必为0。我们就以这个非平凡的体积作为非方阵行列式的定义好了。

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