科学空间|Scientific Spaces

在这个系列中，我们来关心优化算法，而本文的主题则是SGD（stochastic gradient descent，随机梯度下降），包括带Momentum和Nesterov版本的。对于SGD，我们通常会关心的几个问题是：

SGD为什么有效？
SGD的batch size是不是越大越好？
SGD的学习率怎么调？
Momentum是怎么加速的？
Nesterov为什么又比Momentum稍好？
...

这里试图从动力学角度分析SGD，给出上述问题的一些启发性理解。

梯度下降

既然要比较谁好谁差，就需要知道最好是什么样的，也就是说我们的终极目标是什么？

训练目标分析

假设全部训练样本的集合为$\boldsymbol{S}$，损失度量为$L(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})$，其中$\boldsymbol{x}$代表单个样本，而$\boldsymbol{\theta}$则是优化参数，那么我们可以构建损失函数
$$L(\boldsymbol{\theta}) = \frac{1}{|\boldsymbol{S}|}\sum_{\boldsymbol{x}\in\boldsymbol{S}} L(\boldsymbol{x};\boldsymbol{\theta})\tag{1}$$
而训练的终极目标，则是找到$L(\boldsymbol{\theta})$的一个全局最优点（这里的最优是“最小”的意思）。

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从第一篇看下来到这里，我们知道所谓“最小熵原理”就是致力于降低学习成本，试图用最小的成本完成同样的事情。所以整个系列就是一个“偷懒攻略”。那偷懒的秘诀是什么呢？答案是“套路”，所以本系列又称为“套路宝典”。

本篇我们介绍图书馆里边的套路。

先抛出一个问题：词向量出现在什么时候？是2013年Mikolov的Word2Vec？还是是2003年Bengio大神的神经语言模型？都不是，其实词向量可以追溯到千年以前，在那古老的图书馆中...

图书馆一角（图片来源于百度搜索）

走进图书馆

图书馆里有词向量？还是千年以前？在哪本书？我去借来看看。

放书的套路

其实不是哪本书，而是放书的套路。

很明显，图书馆中书的摆放是有“套路”的：它们不是随机摆放的，而是分门别类地放置的，比如数学类放一个区，文学类放一个区，计算机类也放一个区；同一个类也有很多子类，比如数学类中，数学分析放一个子区，代数放一个子区，几何放一个子区，等等。读者是否思考过，为什么要这么分类放置？分类放置有什么好处？跟最小熵又有什么关系？

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在NLP中，我们经常要去比较两个句子的相似度，其标准方法是想办法将句子编码为固定大小的向量，然后用某种几何距离（欧氏距离、$\cos$距离等）作为相似度。这种方案相对来说比较简单，而且检索起来比较快速，一定程度上能满足工程需求。

此外，还可以直接比较两个变长序列的差异性，比如编辑距离，它通过动态规划找出两个字符串之间的最优映射，然后算不匹配程度；现在我们还有Word2Vec、BERT等工具，可以将文本序列转换为对应的向量序列，所以也可以直接比较这两个向量序列的差异，而不是先将向量序列弄成单个向量。

后一种方案速度相对慢一点，但可以比较得更精细一些，并且理论比较优雅，所以也有一定的应用场景。本文就来简单介绍一下属于后者的两个相似度指标，分别简称为WMD、WRD。

Earth Mover's Distance

本文要介绍的两个指标都是以Wasserstein距离为基础，这里会先对它做一个简单的介绍，相关内容也可以阅读笔者旧作《从Wasserstein距离、对偶理论到WGAN》。Wasserstein距离也被形象地称之为“推土机距离”（Earth Mover's Distance，EMD），因为它可以用一个“推土”的例子来通俗地表达它的含义。

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刚看到一个有意思的结论：

对于任意实数$x$及偶数$n$，总有$\sum\limits_{k=0}^n \frac{x^k}{k!} > 0$，即$e^x$在$x=0$处的偶次泰勒展开式总是正的。

下面我们来看一下这个结论的证明，以及它在寻找softmax替代品中的应用。

证明过程

看上去这是一个很强的结果，证明会不会很复杂？其实证明非常简单，记
\begin{equation}f_n(x) = \sum\limits_{k=0}^n \frac{x^k}{k!}\end{equation}
当$n$是偶数时，我们有$\lim\limits_{x\to\pm\infty} f_n(x)=+\infty$，即整体是开口向上的，所以我们只需要证明它的最小值大于0就行了，又因为它是一个光滑连续的多项式函数，所以最小值点必然是某个极小值点。那么换个角度想，我们只需要证明它所有的极值点（不管是极大还是极小）所对应的函数值都大于0。

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当要求函数的最小值时，我们通常会先求导函数然后寻找其零点，比较幸运的情况下，这些零点之一正好是原函数的最小值点。如果是向量函数，则将导数改为梯度并求其零点。当梯度零点不易求得时，我们可以使用梯度下降来逐渐逼近最小值点。

以上这些都是无约束优化的基础结果，相信不少读者都有所了解。然而，本文的主题是概率空间中的优化，即目标函数的输入是一个概率分布，这类目标的优化更为复杂，因为它的搜索空间不再是无约束的，如果我们依旧去求解梯度零点或者执行梯度下降，所得结果未必能保证是一个概率分布。因此，我们需要寻找一种新的分析和计算方法，以确保优化结果能够符合概率分布的特性。

对此，笔者一直以来也感到颇为头疼，所以近来决定”痛定思痛“，针对概率分布的优化问题系统学习了一番，最后将学习所得整理在此，供大家参考。

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随机游走模型形式简单，但通过它可以导出丰富的结果，它是物理中各种扩散模型的基础之一，它也等价于随机过程中的布朗运动.

笔者所阅的文献表明，数学家已经对对称随机游走问题作了充分研究[2]，也探讨了随机游走问题与偏微分方程的关系[3]，并且还研究过不对称随机游走问题[4]. 然而，已有结果的不足之处有：1、在推导随机游走问题的概率分布或者偏微分方程之时，所用的方法不够简洁明了；2、没有研究更一般的不对称随机游走问题.

本章弥补了这一不足，首先通过母函数和傅里叶变换的方法，推导出了不对称随机游走问题所满足的偏微分方程，并且提出，由于随机游走容易通过计算机模拟，因此通过随机游走来模拟偏微分方程的解是一种有效的数值途径.

模型简介

本节通过一个本质上属于二项分布的走格子问题来引入随机游走.

考虑实数轴上的一个粒子，在$t=0$时刻它位于原点，每秒钟它以相等的概率向前或向后移动一格（$+1$或$-1$），问$n$秒后它所处位置的概率分布.

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路径积分方法为解决某些随机问题带来了新视角.

一个例子：股票价格模型

考虑有风险资产(如股票)，在$t$时刻其价格为$S_t$，考虑的时间区间为$[0,T]$，0表示初始时间，$T$表示为到期日. $S_t$看作是随时间变化的连续时间变量，并服从下列随机微分方程:
$$dS_t^0=rS_t^0 dt;\quad dS_t=S_t(\mu dt+\sigma dW_t).\tag{70}$$
其中，$\mu$和$\sigma$是两个常量，$W_t$是一个标准布朗运动.

关于$S_t$的方程是一个随机微分方程，一般解决思路是通过随机微积分. 随机微积分有别于一般的微积分的地方在于，随机微积分在做一阶展开的时候，不能忽略$dS_t^2$项，因为$dW_t^2=dt$. 比如，设$S_t=e^{x_t}$，则$x_t=\ln S_t$
$$\begin{aligned}dx_t=&\ln(S_t+dS_t)-\ln S_t=\frac{dS_t}{S_t}-\frac{dS_t^2}{2S_t^2}\\
=&\frac{S_t(\mu dt+\sigma dW_t)}{S_t}-\frac{[S_t(\mu dt+\sigma dW_t)]^2}{2S_t^2}\\
=&\mu dt+\sigma dW_t-\frac{1}{2}\sigma^2 dW_t^2\quad(\text{其余项均低于}dt\text{阶})\\
=&\left(\mu-\frac{1}{2}\sigma^2\right) dt+\sigma dW_t\end{aligned}
,\tag{71}$$

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关于字标注法

上一篇文章谈到了分词的字标注法。要注意字标注法是很有潜力的，要不然它也不会在公开测试中取得最优的成绩了。在我看来，字标注法有效有两个主要的原因，第一个原因是它将分词问题变成了一个序列标注问题，而且这个标注是对齐的，也就是输入的字跟输出的标签是一一对应的，这在序列标注中是一个比较成熟的问题；第二个原因是这个标注法实际上已经是一个总结语义规律的过程，以4tag标注为为例，我们知道，“李”字是常用的姓氏，一半作为多字词（人名）的首字，即标记为b；而“想”由于“理想”之类的词语，也有比较高的比例标记为e，这样一来，要是“李想”两字放在一起时，即便原来词表没有“李想”一词，我们也能正确输出be，也就是识别出“李想”为一个词，也正是因为这个原因，即便是常被视为最不精确的HMM模型也能起到不错的效果。

关于标注，还有一个值得讨论的内容，就是标注的数目。常用的是4tag，事实上还有6tag和2tag，而标记分词结果最简单的方法应该是2tag，即标记“切分/不切分”就够了，但效果不好。为什么反而更多数目的tag效果更好呢？因为更多的tag实际上更全面概括了语义规律。比如，用4tag标注，我们能总结出哪些字单字成词、哪些字经常用作开头、哪些字用作末尾，但仅仅用2tag，就只能总结出哪些字经常用作开头，从归纳的角度来看，是不够全面的。但6tag跟4tag比较呢？我觉得不一定更好，6tag的意思是还要总结出哪些字作第二字、第三字，但这个总结角度是不是对的？我觉得，似乎并没有哪些字固定用于第二字或者第三字的，这个规律的总结性比首字和末字的规律弱多了（不过从新词发现的角度来看，6tag更容易发现长词。）。

双向LSTM

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