科学空间|Scientific Spaces

提高模型的泛化性能是机器学习致力追求的目标之一。常见的提高泛化性的方法主要有两种：第一种是添加噪声，比如往输入添加高斯噪声、中间层增加Dropout以及进来比较热门的对抗训练等，对图像进行随机平移缩放等数据扩增手段某种意义上也属于此列；第二种是往loss里边添加正则项，比如$L_1, L_2$惩罚、梯度惩罚等。本文试图探索几种常见的提高泛化性能的手段的关联。

随机噪声

我们记模型为$f(x)$，$\mathcal{D}$为训练数据集合，$l(f(x), y)$为单个样本的loss，那么我们的优化目标是
\begin{equation}\mathop{\text{argmin}}_{\theta} L(\theta)=\mathbb{E}_{(x,y)\sim \mathcal{D}}[l(f(x), y)]\end{equation}
$\theta$是$f(x)$里边的可训练参数。假如往模型输入添加噪声$\varepsilon$，其分布为$q(\varepsilon)$，那么优化目标就变为
\begin{equation}\mathop{\text{argmin}}_{\theta} L_{\varepsilon}(\theta)=\mathbb{E}_{(x,y)\sim \mathcal{D}, \varepsilon\sim q(\varepsilon)}[l(f(x + \varepsilon), y)]\end{equation}
当然，可以添加噪声的地方不仅仅是输入，也可以是中间层，也可以是权重$\theta$，甚至可以是输出$y$（等价于标签平滑），噪声也不一定是加上去的，比如Dropout是乘上去的。对于加性噪声来说，$q(\varepsilon)$的常见选择是均值为0、方差固定的高斯分布；而对于乘性噪声来说，常见选择是均匀分布$U([0,1])$或者是伯努利分布。

添加随机噪声的目的很直观，就是希望模型能学会抵御一些随机扰动，从而降低对输入或者参数的敏感性，而降低了这种敏感性，通常意味着所得到的模型不再那么依赖训练集，所以有助于提高模型泛化性能。

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自SimCLR以来，CV中关于无监督特征学习的工作层出不穷，让人眼花缭乱。这些工作大多数都是基于对比学习的，即通过适当的方式构造正负样本进行分类学习的。然而，在众多类似的工作中总有一些特立独行的研究，比如Google的BYOL和最近的SimSiam，它们提出了单靠正样本就可以完成特征学习的方案，让人觉得耳目一新。但是没有负样本的支撑，模型怎么不会退化（坍缩）为一个没有意义的常数模型呢？这便是这两篇论文最值得让人思考和回味的问题了。

其中SimSiam给出了让很多人都点赞的答案，但笔者觉得SimSiam也只是把问题换了种说法，并没有真的解决这个问题。笔者认为，像SimSiam、GAN等模型的成功，很重要的原因是使用了基于梯度的优化器（而非其他更强或者更弱的优化器），所以不结合优化动力学的答案都是不完整的。在这里，笔者尝试结合动力学来分析SimSiam不会退化的原因。

SimSiam

在看SimSiam之前，我们可以先看看BYOL，来自论文《Bootstrap your own latent: A new approach to self-supervised Learning》，其学习过程很简单，就是维护两个编码器Student和Teacher，其中Teacher是Student的滑动平均，Student则又反过来向Teacher学习，有种“左脚踩右脚”就可以飞起来的感觉。示意图如下：

BYOL示意图

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在之前的文章《必须要GPT3吗？不，BERT的MLM模型也能小样本学习》中，我们介绍了一种名为Pattern-Exploiting Training（PET）的方法，它通过人工构建的模版与BERT的MLM模型结合，能够起到非常好的零样本、小样本乃至半监督学习效果，而且该思路比较优雅漂亮，因为它将预训练任务和下游任务统一起来了。然而，人工构建这样的模版有时候也是比较困难的，而且不同的模版效果差别也很大，如果能够通过少量样本来自动构建模版，也是非常有价值的。

P-tuning直接使用[unused]来构建模版，不关心模版的自然语言性

最近Arxiv上的论文《GPT Understands, Too》提出了名为P-tuning的方法，成功地实现了模版的自动构建。不仅如此，借助P-tuning，GPT在SuperGLUE上的成绩首次超过了同等级别的BERT模型，这颠覆了一直以来“GPT不擅长NLU”的结论，也是该论文命名的缘由。

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自SimCLR在视觉无监督学习大放异彩以来，对比学习逐渐在CV乃至NLP中流行了起来，相关研究和工作越来越多。标准的对比学习的一个广为人知的缺点是需要比较大的batch_size（SimCLR在batch_size=4096时效果最佳），小batch_size的时候效果会明显降低，为此，后续工作的改进方向之一就是降低对大batch_size的依赖。那么，一个很自然的问题是：标准的对比学习在小batch_size时效果差的原因究竟是什么呢？

近日，一篇名为《Simpler, Faster, Stronger: Breaking The log-K Curse On Contrastive Learners With FlatNCE》对此问题作出了回答：因为浮点误差。看起来真的很让人难以置信，但论文的分析确实颇有道理，并且所提出的改进FlatNCE确实也工作得更好，让人不得不信服。

细微之处

接下来，笔者将按照自己的理解和记号来介绍原论文的主要内容。对比学习（Contrastive Learning）就不帮大家详细复习了，大体上来说，对于某个样本$x$，我们需要构建$K$个配对样本$y_1,y_2,\cdots,y_K$，其中$y_t$是正样本而其余都是负样本，然后分别给每个样本对$(x, y_i)$打分，分别记为$s_1,s_2,\cdots,s_K$，对比学习希望拉大正负样本对的得分差，通常直接用交叉熵作为损失：
\begin{equation}-\log \frac{e^{s_t}}{\sum\limits_i e^{s_i}} = \log \left(\sum_i e^{s_i}\right) - s_t = \log \left(1 + \sum_{i\neq t} e^{s_i - s_t}\right)\end{equation}

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能提升模型性能的方法有很多，多任务学习（Multi-Task Learning）也是其中一种。简单来说，多任务学习是希望将多个相关的任务共同训练，希望不同任务之间能够相互补充和促进，从而获得单任务上更好的效果（准确率、鲁棒性等）。然而，多任务学习并不是所有任务堆起来就能生效那么简单，如何平衡每个任务的训练，使得各个任务都尽量获得有益的提升，依然是值得研究的课题。

最近，笔者机缘巧合之下，也进行了一些多任务学习的尝试，借机也学习了相关内容，在此挑部分结果与大家交流和讨论。

加权求和

从损失函数的层面看，多任务学习就是有多个损失函数$\mathcal{L}_1,\mathcal{L}_2,\cdots,\mathcal{L}_n$，一般情况下它们有大量的共享参数、少量的独立参数，而我们的目标是让每个损失函数都尽可能地小。为此，我们引入权重$\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_n\geq 0$，通过加权求和的方式将它转化为如下损失函数的单任务学习
\begin{equation}\mathcal{L} = \sum_{i=1}^n \alpha_i \mathcal{L}_i\label{eq:w-loss}\end{equation}
在这个视角下，多任务学习的主要难点就是如何确定各个$\alpha_i$了。

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众所周知，分类问题的常规评估指标是正确率，而标准的损失函数则是交叉熵，交叉熵有着收敛快的优点，但它并非是正确率的光滑近似，这就带来了训练和预测的不一致性问题。另一方面，当训练样本的预测概率很低时，交叉熵会给出一个非常巨大的损失（趋于$-\log 0^{+}=\infty$），这意味着交叉熵会特别关注预测概率低的样本——哪怕这个样本可能是“脏数据”。所以，交叉熵训练出来的模型往往有过度自信现象，即每个样本都给出较高的预测概率，这会带来两个副作用：一是对脏数据的过度拟合带来的效果下降，二是预测的概率值无法作为不确定性的良好指标。

围绕交叉熵的改进，学术界一直都有持续输出，目前这方面的研究仍处于“八仙过海，各显神通”的状态，没有标准答案。在这篇文章中，我们来学习一下论文《Tailoring Language Generation Models under Total Variation Distance》给出的该问题的又一种简明的候选方案。

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前段时间，一个名为“幂等生成网络（Idempotent Generative Network，IGN）”的生成模型引起了一定的关注。它自称是一种独立于已有的VAE、GAN、flow、Diffusion之外的新型生成模型，并且具有单步采样的特点。也许是大家苦于当前主流的扩散模型的多步采样生成过程久矣，因此任何声称可以实现单步采样的“风吹草动”都很容易吸引人们的关注。此外，IGN名称中的“幂等”一词也增加了它的神秘感，进一步扩大了人们的期待，也成功引起了笔者的兴趣，只不过之前一直有别的事情要忙，所以没来得及认真阅读模型细节。

最近闲了一点，想起来还有个IGN没读，于是重新把论文翻了出来，但阅读之后却颇感困惑：这哪里是个新模型，不就是个GAN的变种吗？跟常规GAN不同的是，它将生成器和判别器合二为一了。那这个“合二为一”是不是有什么特别的好处，比如训练更稳定？个人又感觉没有。下面将分享笔者从GAN角度理解IGN的过程和疑问。

生成对抗

关于GAN（Generative Adversarial Network，生成对抗网络），笔者前几年系统地学习过一段时间（查看GAN标签可以查看到相关文章），但近几年没有持续地关注了，因此这里先对GAN做个简单的回顾，也方便后续章节中我们对比GAN与IGN之间的异同。

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Softmax，顾名思义是“soft的max”，是$\max$算子（准确来说是$\text{argmax}$）的光滑近似，它通过指数归一化将任意向量$\boldsymbol{x}\in\mathbb{R}^n$转化为分量非负且和为1的新向量，并允许我们通过温度参数来调节它与$\text{argmax}$（的one hot形式）的近似程度。除了指数归一化外，我们此前在《通向概率分布之路：盘点Softmax及其替代品》也介绍过其他一些能实现相同效果的方案。

我们知道，最大值通常又称Top-1，它的光滑近似方案看起来已经相当成熟，那读者有没有思考过，一般的Top-$k$的光滑近似又是怎么样的呢？下面让我们一起来探讨一下这个问题。

问题描述

设向量$\boldsymbol{x}=(x_1,x_2,\cdots,x_n)\in\mathbb{R}^n$，简单起见我们假设它们两两不相等，即$i\neq j \Leftrightarrow x_i\neq x_j$。记$\Omega_k(\boldsymbol{x})$为$\boldsymbol{x}$最大的$k$个分量的下标集合，即$|\Omega_k(\boldsymbol{x})|=k$以及$\forall i\in \Omega_k(\boldsymbol{x}), j \not\in \Omega_k(\boldsymbol{x})\Rightarrow x_i > x_j$。我们定义Top-$k$算子$\mathcal{T}_k$为$\mathbb{R}^n\mapsto\{0,1\}^n$的映射：
\begin{equation}
[\mathcal{T}_k(\boldsymbol{x})]_i = \left\{\begin{aligned}1,\,\, i\in \Omega_k(\boldsymbol{x}) \\ 0,\,\, i \not\in \Omega_k(\boldsymbol{x})\end{aligned}\right.
\end{equation}
说白了，如果$x_i$属于最大的$k$个元素之一，那么对应的位置变成1，否则变成0，最终结果是一个Multi-Hot向量，比如$\mathcal{T}_2([3,2,1,4]) = [1,0,0,1]$。

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