科学空间|Scientific Spaces

前几日写了一篇VAE的通俗解读，也得到了一些读者的认可。然而，你是否厌倦了每次介绍都只有一个MNIST级别的demo？不要急，这就给大家带来一个更经典的VAE玩具：机器人作诗。

为什么说“更经典”呢？前一篇文章我们说过用VAE生成的图像相比GAN生成的图像会偏模糊，也就是在图像这一“仗”上，VAE是劣势。然而，在文本生成这一块上，VAE却漂亮地胜出了。这是因为GAN希望把判别器（度量）也直接训练出来，然而对于文本来说，这个度量很可能是离散的、不可导的，因此纯GAN就很难训练了。而VAE中没有这个步骤，它是通过重构输入来完成的，这个重构过程对于图像还是文本都可以进行。所以，文本生成这件事情，对于VAE来说它就跟图像生成一样，都是一个基本的、直接的应用；对于（目前的）GAN来说，却是艰难的象征，是它挥之不去的“心病”。

嗯，古有曹植七步作诗，今有VAE随机成诗，让我们开始吧～

模型

对于很多人来说，诗是一个很美妙的玩意，美妙之处在于大多数人都不真正懂得诗，但大家对诗的模样又有一知半解的认识。因此，只要生成的“诗”稍微像模像样一点，我们通常都会认为机器人可以作诗了。因此，所谓作诗机器人，是一个纯粹的玩具了，能作几句诗，也不意味着普通语言的生成能力有多好，也不意味着我们对NLP的理解有多深。

CNN + VAE

就本文的玩具而言，其实是一个比较简单的模型，主要是把一维CNN和VAE结合了起来。因为生成的诗长度是固定的，所以不管是encoder还是decoder，我都只是用了纯CNN来做。模型的结构图大概是：

cnn + vae 诗歌生成模型

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过去虽然没有细看，但印象里一直觉得变分自编码器（Variational Auto-Encoder，VAE）是个好东西。于是趁着最近看概率图模型的三分钟热度，我决定也争取把VAE搞懂。于是乎照样翻了网上很多资料，无一例外发现都很含糊，主要的感觉是公式写了一大通，还是迷迷糊糊的，最后好不容易觉得看懂了，再去看看实现的代码，又感觉实现代码跟理论完全不是一回事啊。

终于，东拼西凑再加上我这段时间对概率模型的一些积累，并反复对比原论文《Auto-Encoding Variational Bayes》，最后我觉得我应该是想明白了。其实真正的VAE，跟很多教程说的的还真不大一样，很多教程写了一大通，都没有把模型的要点写出来～于是写了这篇东西，希望通过下面的文字，能把VAE初步讲清楚。

分布变换

通常我们会拿VAE跟GAN比较，的确，它们两个的目标基本是一致的——希望构建一个从隐变量$Z$生成目标数据$X$的模型，但是实现上有所不同。更准确地讲，它们是假设了$Z$服从某些常见的分布（比如正态分布或均匀分布），然后希望训练一个模型$X=g(Z)$，这个模型能够将原来的概率分布映射到训练集的概率分布，也就是说，它们的目的都是进行分布之间的变换。

生成模型的难题就是判断生成分布与真实分布的相似度，因为我们只知道两者的采样结果，不知道它们的分布表达式

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源起

前几天写了博文《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》，从一种比较通俗的观点来理解变分自编码器（VAE），在那篇文章的视角中，VAE跟普通的自编码器差别不大，无非是多加了噪声并对噪声做了约束。然而，当初我想要弄懂VAE的初衷，是想看看究竟贝叶斯学派的概率图模型究竟是如何与深度学习结合来发挥作用的，如果仅仅是得到一个通俗的理解，那显然是不够的。

所以我对VAE继续思考了几天，试图用更一般的、概率化的语言来把VAE说清楚。事实上，这种思考也能回答通俗理解中无法解答的问题，比如重构损失用MSE好还是交叉熵好、重构损失和KL损失应该怎么平衡，等等。

建议在阅读《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》后对本文进行阅读，本文在内容上尽量不与前文重复。

准备

在进入对VAE的描述之前，我觉得有必要把一些概念性的内容讲一下。

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前段时间留意到有大牛开源了一个中文的GPT2模型，是最大的15亿参数规模的，看作者给的demo，生成效果还是蛮惊艳的，就想着加载到自己的bert4keras来玩玩。不过早期的bert4keras整体架构写得比较“死”，集成多个不同的模型很不方便。前两周终于看不下去了，把bert4keras的整体结构重写了一遍，现在的bert4keras总能算比较灵活地编写各种Transformer结构的模型了，比如GPT2、T5等都已经集成在里边了。

GPT2科普

GPT，相信很多读者都听说过它了，简单来说，它就是一个基于Transformer结构的语言模型，源自论文《GPT：Improving Language Understanding by Generative Pre-Training》，但它又不是为了做语言模型而生，它是通过语言模型来预训练自身，然后在下游任务微调，提高下游任务的表现。它是“Transformer + 预训练 + 微调”这种模式的先驱者，相对而言，BERT都算是它的“后辈”，而GPT2，则是GPT的升级版——模型更大，训练数据更多——模型最大版的参数量达到了15亿。

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话说我觉得我自己最近写文章都喜欢长篇大论了，而且扎堆地来～之前连续写了三篇关于Capsule的介绍，这次轮到VAE了，本文是VAE的第三篇探索，说不准还会有第四篇～不管怎么样，数量不重要，重要的是能把问题都想清楚。尤其是对于VAE这种新奇的建模思维来说，更加值得细细地抠。

这次我们要关心的一个问题是：VAE为什么能成？

估计看VAE的读者都会经历这么几个阶段。第一个阶段是刚读了VAE的介绍，然后云里雾里的，感觉像自编码器又不像自编码器的，反复啃了几遍文字并看了源码之后才知道大概是怎么回事；第二个阶段就是在第一个阶段的基础上，再去细读VAE的原理，诸如隐变量模型、KL散度、变分推断等等，细细看下去，发现虽然折腾来折腾去，最终居然都能看明白了。

这时候读者可能就进入第三个阶段了。在这个阶段中，我们会有诸多疑问，尤其是可行性的疑问：“为什么它这样反复折腾，最终出来模型是可行的？我也有很多想法呀，为什么我的想法就不行？”

前文之要

让我们再不厌其烦地回顾一下前面关于VAE的一些原理。

VAE希望通过隐变量分解来描述数据$X$的分布
$$p(x)=\int p(x|z)p(z)dz,\quad p(x,z) = p(x|z)p(z)\tag{1}$$

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在本文，我们介绍“套路宝典”第一式——“当机立断”：1、导出平均字信息熵的概念，然后基于最小熵原理推导出互信息公式；2、并且完成词库的无监督构建、给出一元分词模型的信息熵诠释，从而展示有关生成套路、识别套路的基本方法和技巧。

这既是最小熵原理的第一个使用案例，也是整个“套路宝典”的总纲。

你练或者不练，套路就在那里，不增不减。

为什么需要词语

从上一篇文章可以看到，假设我们根本不懂中文，那么我们一开始会将中文看成是一系列“字”随机组合的字符串，但是慢慢地我们会发现上下文是有联系的，它并不是“字”的随机组合，它应该是“套路”的随机组合。于是为了减轻我们的记忆成本，我们会去挖掘一些语言的“套路”。第一个“套路”，是相邻的字之间的组合定式，这些组合定式，也就是我们理解的“词”。

平均字信息熵

假如有一批语料，我们将它分好词，以词作为中文的单位，那么每个词的信息量是$-\log p_w$，因此我们就可以计算记忆这批语料所要花费的时间为
$$-\sum_{w\in \text{语料}}\log p_w\tag{2.1}$$
这里$w\in \text{语料}$是对语料逐词求和，不用去重。如果不分词，按照字来理解，那么需要的时间为
$$-\sum_{c\in \text{语料}}\log p_c\tag{2.2}$$

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在前一文《最小熵原理（二）：“当机立断”之词库构建》中，我们以最小熵原理为出发点进行了一系列的数学推导，最终得到$(2.15)$和$(2.17)$式，它告诉我们两个互信息比较大的元素我们应该将它们合并起来，这有利于降低“学习难度”。于是利用这一原理，我们通过邻字互信息来实现了词库的无监督生成。

由字到词、由词到词组，考察的是相邻的元素能不能合并成一个好“套路”。可是套路为什么非得要相邻的呢？当然不一定相邻，我们学习语言的时候，不仅仅会学习到词语、词组，还要学习到“固定搭配”，也就是说词语怎么运用才是合理的，这是语法的体现，是本文所要探究的，希望最终能达到一定的无监督句法分析的效果。

由于这次我们考虑的是跨邻词的语言关联，因此我给它起个名字为“飞象过河”，正是

“套路宝典”第二式——“飞象过河”

语言结构

对于大多数人来说，并不会真正知道什么是语法，他们脑海里就只有一些“固定搭配”、“定式”，或者更正式一点可以叫“模版”。大多数情况下，我们是根据模版来说出合理的话来。而不同的人的说话模版可能有所不同，这就是个人的说话风格，甚至是“口头禅”。

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由于VAE中既有编码器又有解码器（生成器），同时隐变量分布又被近似编码为标准正态分布，因此VAE既是一个生成模型，又是一个特征提取器。在图像领域中，由于VAE生成的图片偏模糊，因此大家通常更关心VAE作为图像特征提取器的作用。提取特征都是为了下一步的任务准备的，而下一步的任务可能有很多，比如分类、聚类等。本文来关心“聚类”这个任务。

一般来说，用AE或者VAE做聚类都是分步来进行的，即先训练一个普通的VAE，然后得到原始数据的隐变量，接着对隐变量做一个K-Means或GMM之类的。但是这样的思路的整体感显然不够，而且聚类方法的选择也让我们纠结。本文介绍基于VAE的一个“一步到位”的聚类思路，它同时允许我们完成无监督地完成聚类和条件生成。

理论

一般框架

回顾VAE的loss（如果没印象请参考《变分自编码器（二）：从贝叶斯观点出发》）：
$$KL\Big(p(x,z)\Big\Vert q(x,z)\Big) = \iint p(z|x)\tilde{p}(x)\ln \frac{p(z|x)\tilde{p}(x)}{q(x|z)q(z)} dzdx\tag{1}$$
通常来说，我们会假设$q(z)$是标准正态分布，$p(z|x),q(x|z)$是条件正态分布，然后代入计算，就得到了普通的VAE的loss。

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