科学空间|Scientific Spaces

前言：去年写过一篇WGAN-GP的入门读物《互怼的艺术：从零直达WGAN-GP》，提到通过梯度惩罚来为WGAN的判别器增加Lipschitz约束（下面简称“L约束”）。前几天遐想时再次想到了WGAN，总觉得WGAN的梯度惩罚不够优雅，后来也听说WGAN在条件生成时很难搞（因为不同类的随机插值就开始乱了...），所以就想琢磨一下能不能搞出个新的方案来给判别器增加L约束。

闭门造车想了几天，然后发现想出来的东西别人都已经做了，果然是只有你想不到，没有别人做不到。主要包含在这两篇论文中：《Spectral Norm Regularization for Improving the Generalizability of Deep Learning》和《Spectral Normalization for Generative Adversarial Networks》。

所以这篇文章就按照自己的理解思路，对L约束相关的内容进行简单的介绍。注意本文的主题是L约束，并不只是WGAN。它可以用在生成模型中，也可以用在一般的监督学习中。

L约束与泛化

扰动敏感

记输入为$x$，输出为$y$，模型为$f$，模型参数为$w$，记为
$$\begin{equation}y = f_w(x)\end{equation}$$
很多时候，我们希望得到一个“稳健”的模型。何为稳健？一般来说有两种含义，一是对于参数扰动的稳定性，比如模型变成了$f_{w+\Delta w}(x)$后是否还能达到相近的效果？如果在动力学系统中，还要考虑模型最终是否能恢复到$f_w(x)$；二是对于输入扰动的稳定性，比如输入从$x$变成了$x+\Delta x$后，$f_w(x+\Delta x)$是否能给出相近的预测结果。读者或许已经听说过深度学习模型存在“对抗攻击样本”，比如图片只改变一个像素就给出完全不一样的分类结果，这就是模型对输入过于敏感的案例。

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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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这一篇“让Keras更酷一些！”将和读者分享两部分内容：第一部分是“层中层”，顾名思义，是在Keras中自定义层的时候，重用已有的层，这将大大减少自定义层的代码量；另外一部分就是应读者所求，介绍一下序列模型中的mask原理和方法。

层中层

在《“让Keras更酷一些！”：精巧的层与花式的回调》一文中我们已经介绍过Keras自定义层的基本方法，其核心步骤是定义build和call两个函数，其中build负责创建可训练的权重，而call则定义具体的运算。

拒绝重复劳动

经常用到自定义层的读者可能会感觉到，在自定义层的时候我们经常在重复劳动，比如我们想要增加一个线性变换，那就要在build中增加一个kernel和bias变量（还要自定义变量的初始化、正则化等），然后在call里边用K.dot来执行，有时候还需要考虑维度对齐的问题，步骤比较繁琐。但事实上，一个线性变换其实就是一个不加激活函数的Dense层罢了，如果在自定义层时能重用已有的层，那显然就可以大大节省代码量了。

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前些天笔者写了《CRF用过了，不妨再了解下更快的MEMM？》，里边提到了MEMM的局部归一化和CRF的全局归一化的优劣。同时，笔者联想到了Seq2Seq模型，因为Seq2Seq模型的典型训练方案Teacher Forcing就是一个局部归一化模型，所以它也存在着局部归一化所带来的毛病——也就是我们经常说的“Exposure Bias”。带着这个想法，笔者继续思考了一翻，将最后的思考结果记录在此文。

经典的Seq2Seq模型图示

本文算是一篇进阶文章，适合对Seq2Seq模型已经有一定的了解、希望进一步提升模型的理解或表现的读者。关于Seq2Seq的入门文章，可以阅读旧作《玩转Keras之seq2seq自动生成标题》和《从语言模型到Seq2Seq：Transformer如戏，全靠Mask》。

本文的内容大致为：

1、Exposure Bias的成因分析及例子；

2、简单可行的缓解Exposure Bias问题的策略。

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前段时间我们开放了一个名为SimBERT的模型权重，它是以Google开源的BERT模型为基础，基于微软的UniLM思想设计了融检索与生成于一体的任务，来进一步微调后得到的模型，所以它同时具备相似问生成和相似句检索能力。不过当时除了放出一个权重文件和示例脚本之外，未对模型原理和训练过程做进一步说明。在这篇文章里，我们来补充这部分内容。

开源地址：https://github.com/ZhuiyiTechnology/simbert

UniLM

UniLM是一个融合NLU和NLG能力的Transformer模型，由微软在去年5月份提出来的，今年2月份则升级到了v2版本。我们之前的文章《从语言模型到Seq2Seq：Transformer如戏，全靠Mask》就简单介绍过UniLM，并且已经集成到了bert4keras中。

UniLM的核心是通过特殊的Attention Mask来赋予模型具有Seq2Seq的能力。假如输入是“你想吃啥”，目标句子是“白切鸡”，那UNILM将这两个句子拼成一个：[CLS] 你 想 吃 啥 [SEP] 白 切 鸡 [SEP]，然后接如图的Attention Mask：

UniLM的Mask

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不少读者都应该知道，损失函数与评测指标的不一致性是机器学习的典型现象之一，比如分类问题中损失函数用交叉熵，评测指标则是准确率或者F1，又比如文本生成中损失函数是teacher-forcing形式的交叉熵，评测指标则是BLEU、ROUGE等。理想情况下，当然是评测什么指标，我们就去优化这个指标，然而评测指标通常都是不可导的，而我们多数都是使用基于梯度的优化器，这就要求最小化的目标必须是可导的，这是不一致性的来源。

前些天在arxiv刷到了一篇名为《MLE-guided parameter search for task loss minimization in neural sequence modeling》的论文，顾名思义，它是研究如何直接优化文本生成的评测指标的。经过阅读，笔者发现这篇论文很有价值，事实上它提供了一种优化评测指标的新思路，适用范围并不局限于文本生成中。不仅如此，它甚至还包含了一种理解可导优化与不可导优化的统一视角。

采样视角

首先，我们可以通过采样的视角来重新看待优化问题：设模型当前参数为$\theta$，优化目标为$l(\theta)$，我们希望决定下一步的更新量$\Delta\theta$，为此，我们先构建分布
\begin{equation}p(\Delta\theta|\theta)=\frac{e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha}}{Z(\theta)},\quad Z(\theta) = \int e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha} d(\Delta\theta)\end{equation}

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类别不平衡问题，也称为长尾分布问题，在本博客里已经有好几次相关讨论了，比如《从loss的硬截断、软化到focal loss》、《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》、《通过互信息思想来缓解类别不平衡问题》。对于缓解类别不平衡，比较基本的方法就是调节样本权重，看起来“高端”一点的方法则是各种魔改loss了（比如Focal Loss、Dice Loss、Logits Adjustment等），本文希望比较系统地理解一下它们之间的联系。

长尾分布：少数类别的样本数目非常多，多数类别的样本数目非常少。

从光滑准确率到交叉熵

这里的分析主要以sigmoid的2分类为主，但多数结论可以平行推广到softmax的多分类。设$x$为输入，$y\in\{0,1\}$为目标，$p_{\theta}(x) \in [0, 1]$为模型。理想情况下，当然是要评测什么指标，我们就去优化那个指标。对于分类问题来说，最朴素的指标当然就是准确率，但准确率并没有办法提供有效的梯度，所以不能直接来训练。

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深度学习如此成功的一个巨大原因就是基于梯度的优化算法（SGD、Adam等）能有效地求解大多数神经网络模型。然而，既然是基于梯度，那么就要求模型是可导的，但随着研究的深入，我们时常会有求解不可导模型的需求，典型的例子就是直接优化准确率、F1、BLEU等评测指标，或者在神经网络里边加入了不可导模块（比如“跳读”操作）。

Gradient

本文将简单介绍两种求解不可导的模型的有效方法：强化学习的重要方法之一策略梯度（Policy Gradient），以及干脆不需要梯度的零阶优化（Zeroth Order Optimization）。表面上来看，这是两种思路完全不一样的优化方法，但本文将进一步证明，在一大类优化问题中，其实两者基本上是等价的。

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