科学空间|Scientific Spaces

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}

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在《多任务学习漫谈（一）：以损失之名》中，我们从损失函数的角度初步探讨了多任务学习问题，最终发现如果想要结果同时具有缩放不变性和平移不变性，那么用梯度的模长倒数作为任务的权重是一个比较简单的选择。我们继而分析了，该设计等价于将每个任务的梯度单独进行归一化后再相加，这意味着多任务的“战场”从损失函数转移到了梯度之上：看似在设计损失函数，实则在设计更好的梯度，所谓“以损失之名，行梯度之事”。

那么，更好的梯度有什么标准呢？如何设计出更好的梯度呢？本文我们就从梯度的视角来理解多任务学习，试图直接从设计梯度的思路出发构建多任务学习算法。

整体思路

我们知道，对于单任务学习，常用的优化方法就是梯度下降，那么它是怎么推导的呢？同样的思路能不能直接用于多任务学习呢？这便是这一节要回答的问题。

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前两天刷到了Google的一篇论文《Step-size Adaptation Using Exponentiated Gradient Updates》，在其中学到了一些新的概念，所以在此记录分享一下。主要的内容有两个，一是非负优化的指数梯度下降，二是基于元学习思想的学习率调整算法，两者都颇有意思，有兴趣的读者也可以了解一下。

指数梯度下降

梯度下降大家可能听说得多了，指的是对于无约束函数$\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta})$的最小化，我们用如下格式进行更新：
\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{t+1} = \boldsymbol{\theta}_t - \eta\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta}_t)\end{equation}
其中$\eta$是学习率。然而很多任务并非总是无约束的，对于最简单的非负约束，我们可以改为如下格式更新：
\begin{equation}\boldsymbol{\theta}_{t+1} = \boldsymbol{\theta}_t \odot \exp\left(- \eta\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}(\boldsymbol{\theta}_t)\right)\label{eq:egd}\end{equation}
这里的$\odot$是逐位对应相乘（Hadamard积）。容易看到，只要初始化的$\boldsymbol{\theta}_0$是非负的，那么在整个更新过程中$\boldsymbol{\theta}_t$都会保持非负，这就是用于非负约束优化的“指数梯度下降”。

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之前笔者一直都是聚焦于模型的构思和实现，鲜有关注模型的训练加速，像混合精度和XLA这些技术，虽然也有听过，但没真正去实践过。这两天折腾了一番，成功在bert4keras中使用了混合精度和XLA来加速训练，在此做个简单的总结，供大家参考。

本文的多数经验结论并不只限于bert4keras中使用，之所以在标题中强调bert4keras，只不过bert4keras中的模型实现相对较为规整，因此启动这些加速技巧所要做的修改相对更少。

实验环境

本文的实验显卡为3090，使用的docker镜像为nvcr.io/nvidia/tensorflow:21.09-tf1-py3，其中自带的tensorflow版本为1.15.5。另外，实验所用的bert4keras版本为0.11.3。其他环境也可以参考着弄，要注意有折腾精神，不要指望着无脑调用。

顺便提一下，3090、A100等卡只能用cuda11，而tensorflow官网的1.15版本是不支持cuda11的，如果还想用tensorflow 1.x，那么只能用nvidia亲自维护的nvidia-tensorflow，或者用其构建的docker镜像。用nvidia而不是google维护的tensorflow，除了能让你在最新的显卡用上1.x版本外，还有nvidia专门做的一些额外优化，具体文档可以参考这里。

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最近有读者提到想测试一下GlobalPointer与R-Drop结合的效果，但不知道GlobalPointer下的KL散度该怎么算。像R-Drop或者虚拟对抗训练这些正则化手段，里边都需要算概率分布的KL散度，但GlobalPointer的预测结果并非一个概率分布，因此无法直接进行计算。

经过一番尝试，笔者给出了一个可用的形式，并通过简单实验验证了它的可行性，遂在此介绍笔者的分析过程。

对称散度

KL散度是关于两个概率分布的函数，它是不对称的，即$KL(p\Vert q)$通常不等于$KL(q\Vert p)$，在实际应用中，我们通常使用对称化的KL散度：
\begin{equation}D(p,q) = KL(p\Vert q) + KL(q\Vert p)\end{equation}

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这几天读到论文《Exploring and Exploiting Hubness Priors for High-Quality GAN Latent Sampling》，了解到了一个新的名词“Hubness现象”，说的是高维空间中的一种聚集效应，本质上是“维度灾难”的体现之一。论文借助Hubness的概念得到了一个提升GAN模型生成质量的方案，看起来还蛮有意思。所以笔者就顺便去学习了一下Hubness现象的相关内容，记录在此，供大家参考。

坍缩的球

“维度灾难”是一个很宽泛的概念，所有在高维空间中与相应的二维、三维空间版本出入很大的结论，都可以称之为“维度灾难”，比如《n维空间下两个随机向量的夹角分布》中介绍的“高维空间中任何两个向量几乎都是垂直的”。其中，有不少维度灾难现象有着同一个源头——“高维空间单位球与其外切正方体的体积之比逐渐坍缩至0”，包括本文的主题“Hubness现象”亦是如此。

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上一篇文章《Transformer升级之路：7、长度外推性与局部注意力》我们讨论了Transformer的长度外推性，得出的结论是长度外推性是一个训练和预测的不一致问题，而解决这个不一致的主要思路是将注意力局部化，很多外推性好的改进某种意义上都是局部注意力的变体。诚然，目前语言模型的诸多指标看来局部注意力的思路确实能解决长度外推问题，但这种“强行截断”的做法也许会不符合某些读者的审美，因为人工雕琢痕迹太强，缺乏了自然感，同时也让人质疑它们在非语言模型任务上的有效性。

本文我们从模型对位置编码的鲁棒性角度来重新审视长度外推性这个问题，此思路可以在基本不对注意力进行修改的前提下改进Transformer的长度外推效果，并且还适用多种位置编码，总体来说方法更为优雅自然，而且还适用于非语言模型任务。

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随着ChatGPT及其平替的火热，各种参数高效（Parameter-Efficient）的微调方法也“水涨船高”，其中最流行的方案之一就是本文的主角LoRA了，它出自论文《LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models》。LoRA方法上比较简单直接，而且也有不少现成实现，不管是理解还是使用都很容易上手，所以本身也没太多值得细写的地方了。

然而，直接实现LoRA需要修改网络结构，这略微麻烦了些，同时LoRA给笔者的感觉是很像之前的优化器AdaFactor，所以笔者的问题是：能否从优化器角度来分析和实现LoRA呢？本文就围绕此主题展开讨论。

方法简介

以往的一些结果（比如《Exploring Aniversal Intrinsic Task Subspace via Prompt Tuning》）显示，尽管预训练模型的参数量很大，但每个下游任务对应的本征维度（Intrinsic Dimension）并不大，换句话说，理论上我们可以微调非常小的参数量，就能在下游任务取得不错的效果。

LoRA借鉴了上述结果，提出对于预训练的参数矩阵$W_0\in\mathbb{R}^{n\times m}$，我们不去直接微调$W_0$，而是对增量做低秩分解假设：
\begin{equation}W = W_0 + A B,\qquad A\in\mathbb{R}^{n\times r},B\in\mathbb{R}^{r\times m}\end{equation}

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