科学空间|Scientific Spaces

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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这篇文章介绍一个发表在NeurIPS 2019的做词向量和句向量的模型JoSE（Joint Spherical Embedding），论文名字是《Spherical Text Embedding》。JoSE模型思想上和方法上传承自Doc2Vec，评测结果更加漂亮，但写作有点故弄玄虚之感。不过笔者决定写这篇文章，是因为觉得里边的某些分析过程有点意思，可能会对一般的优化问题都有些参考价值。

优化目标

在思想上，这篇文章基本上跟Doc2Vec是一致的：为了训练句向量，把句子用一个id表示，然后把它也当作一个词，跟句内所有的词都共现，最后训练一个Skip Gram模型，训练的方式都是基于负采样的。跟Doc2Vec不一样的是，JoSE将全体向量的模长都归一化了（也就是只考虑单位球面上的向量），然后训练目标没有用交叉熵，而是用hinge loss：
\begin{equation}\max(0, m - \cos(\boldsymbol{u}, \boldsymbol{v}) - \cos(\boldsymbol{u}, \boldsymbol{d}) + \cos(\boldsymbol{u}', \boldsymbol{v}) + \cos(\boldsymbol{u}', \boldsymbol{d})\label{eq:loss}\end{equation}

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昨天群里大家讨论到了$n$维向量的一些反直觉现象，其中一个话题是“一般$n$维空间下两个随机向量几乎都是垂直的”，这就跟二维/三维空间的认知有明显出入了。要从理论上认识这个结论，我们可以考虑两个随机向量的夹角$\theta$分布，并算算它的均值方差。

概率密度

首先，我们来推导$\theta$的概率密度函数。呃，其实也不用怎么推导，它是$n$维超球坐标的一个直接结论。

要求两个随机向量之间的夹角分布，很显然，由于各向同性，所以我们只需要考虑单位向量，而同样是因为各向同性，我们只需要固定其中一个向量，考虑另一个向量随机变化。不是一般性，考虑随机向量为
\begin{equation}\boldsymbol{x}=(x_1,x_2,\dots,x_n)\end{equation}
而固定向量为
\begin{equation}\boldsymbol{y}=(1,0,\dots,0)\end{equation}

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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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随着NLP的发展，像Word2Vec、Glove这样的词向量模型，正逐渐地被基于Transformer的BERT等模型代替，不过经典始终是经典，词向量模型依然在不少场景发光发热，并且仍有不少值得我们去研究的地方。本文我们来关心一个词向量模型可能有的疑惑：词向量的维度大概多少才够？

先说结论，笔者给出的估算结果是
\begin{equation}n > 8.33\log N\label{eq:final}\end{equation}
更简约的话可以直接记$n > 8\log N$，其中$N$是词表大小，$n$就是词向量维度，$\log$是自然对数。当$n$超过这个阈值时，就说明模型有足够的容量容纳这$N$个词语（当然$n$越大过拟合风险也越大）。这样一来，当$N=100000$时，得到的$n$大约是96，所以对于10万个词的词向量模型来说，维度选择96就足够了；如果要容纳500万个词，那么$n$大概就是128。

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果蝇（图片来自Google搜索）

可能有些读者最近会留意到ICLR 2021的论文《Can a Fruit Fly Learn Word Embeddings?》，文中写到它是基于仿生思想（仿果蝇的嗅觉回路）做出来的一个二值化词向量模型。其实论文的算法部分并不算难读，可能整篇论文读下来大家的最主要疑惑就是“这东西跟果蝇有什么关系？”、“作者真是从果蝇里边受到启发的？”等等。本文就让我们来追寻一下该算法的来龙去脉，试图回答一下这个词向量模型是怎么跟果蝇搭上关系的。

BioWord

原论文并没有给该词向量模型起个名字，为了称呼上的方便，这里笔者就自作主张将其称为“BioWord”了。总的来说，论文内容大体上有三部分：

1、给每个n-gram构建了一个词袋表示向量；

2、对这些n-gram向量执行BioHash算法，得到所谓的（二值化的）静态/动态词向量；

3、“拼命”讲了一个故事。

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这篇文章我们来讨论一个比较实用的线性代数问题：

给定两个$d$维单位（列）向量$\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}$，求一个正交矩阵$\boldsymbol{T}$，使得$\boldsymbol{b}=\boldsymbol{T}\boldsymbol{a}$。

由于两个向量模长相同，所以很显然这样的正交矩阵必然存在，那么，我们怎么把它找出来呢？

二维

不难想象，这本质上就是$\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}$构成的二维子平面下的向量变换（比如旋转或者镜面反射）问题，所以我们先考虑$d=2$的情形。

正交分解示意图

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学习句向量的方案大致上可以分为无监督和有监督两大类，其中有监督句向量比较主流的方案是Facebook提出的“InferSent”，而后的“Sentence-BERT”进一步在BERT上肯定了它的有效性。然而，不管是InferSent还是Sentence-BERT，它们在理论上依然相当令人迷惑，因为它们虽然有效，但存在训练和预测不一致的问题，而如果直接优化预测目标cos值，效果往往特别差。

最近，笔者再次思考了这个问题，经过近一周的分析和实验，大致上确定了InferSent有效以及直接优化cos值无效的原因，并提出了一个优化cos值的新方案CoSENT（Cosine Sentence）。实验显示，CoSENT在收敛速度和最终效果上普遍都比InferSent和Sentence-BERT要好。

朴素思路

本文的场景是利用文本匹配的标注数据来构建句向量模型，其中所利用到的标注数据是常见的句子对样本，即每条样本是“(句子1, 句子2, 标签)”的格式，它们又大致上可以分类“是非类型”、“NLI类型”、“打分类型”三种，参考《用开源的人工标注数据来增强RoFormer-Sim》中的“分门别类”一节。

失效的Cos

简单起见，我们可以先只考虑“是非类型”的数据，即“(句子1, 句子2, 是否相似)”的样本。假设两个句子经过编码模型后分别得到向量$u,v$，由于检索阶段计算的是余弦相似度$\cos(u,v)=\frac{\langle u,v\rangle}{\Vert u\Vert \Vert v\Vert}$，所以比较自然的想法是设计基于$\cos(u,v)$的损失函数，比如
\begin{align}t\cdot (1 - \cos(u, v)) + (1 - t) \cdot (1 + \cos(u,v))\label{eq:cos-1}\\
t\cdot (1 - \cos(u, v))^2 + (1 - t) \cdot \cos^2(u,v)\label{eq:cos-2}
\end{align}

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