科学空间|Scientific Spaces

本来笔者已经决心不玩RNN了，但是在上个星期思考时忽然意识到RNN实际上对应了ODE（常微分方程）的数值解法，这为我一直以来想做的事情——用深度学习来解决一些纯数学问题——提供了思路。事实上这是一个颇为有趣和有用的结果，遂介绍一翻。顺便地，本文也涉及到了自己动手编写RNN的内容，所以本文也可以作为编写自定义的RNN层的一个简单教程。

注：本文并非前段时间的热点“神经ODE”的介绍（但有一定的联系）。

RNN基本

什么是RNN？

众所周知，RNN是“循环神经网络（Recurrent Neural Network）”，跟CNN不同，RNN可以说是一类模型的总称，而并非单个模型。简单来讲，只要是输入向量序列$(\boldsymbol{x}_1,\boldsymbol{x}_2,\dots,\boldsymbol{x}_T)$，输出另外一个向量序列$(\boldsymbol{y}_1,\boldsymbol{y}_2,\dots,\boldsymbol{y}_T)$，并且满足如下递归关系
$$\boldsymbol{y}_t=f(\boldsymbol{y}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t, t)\tag{1}$$
的模型，都可以称为RNN。也正因为如此，原始的朴素RNN，还有改进的如GRU、LSTM、SRU等模型，我们都称为RNN，因为它们都可以作为上式的一个特例。还有一些看上去与RNN没关的内容，比如前不久介绍的CRF的分母的计算，实际上也是一个简单的RNN。

说白了，RNN其实就是递归计算。

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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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SamplePairing和mixup是两种一脉相承的图像数据扩增手段，它们看起来很不合理，而操作则非常简单，但结果却非常漂亮：在多个图像分类任务中都表明它们能提高最终分类模型的精度。

某些读者会困惑于一个问题：为什么如此不合理的数据扩增手段，能得到如此好的效果？而本文则要表明，它们看起来是一种数据扩增方法，事实上它们是对模型的一种正则化方案。正如周星驰的电影《国产凌凌漆》的一句经典台词：

表面上看这是一个吹风机，其实它是一个刮胡刀。

数据扩增

让我们从数据扩增说起。数据扩增是指我们在对原始数据做一些简单的变换后，它们对应的类别往往不会变化，所以我们可以在原来数据的基础上，“造”出更多的数据来。比如一幅小狗的照片，将它水平翻转、轻微的旋转、裁剪、平移等操作后，我们认为它的类别没有变化，它还是原来的那只狗。这样一来，从一个样本我们可以衍生出好几个样本，从而增加了训练样本量。

狗

旋转的狗

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前言：我小学开始就喜欢纯数学，后来也喜欢上物理，还学习过一段时间的理论物理，直到本科毕业时，我才慢慢进入机器学习领域。所以，哪怕在机器学习领域中，我的研究习惯还保留着数学和物理的风格：企图从最少的原理出发，理解、推导尽可能多的东西。这篇文章是我这个理念的结果之一，试图以变分推断作为出发点，来统一地理解深度学习中的各种模型，尤其是各种让人眼花缭乱的GAN。本文已经挂到arxiv上，需要读英文原稿的可以移步到《Variational Inference: A Unified Framework of Generative Models and Some Revelations》。

下面是文章的介绍。其实，中文版的信息可能还比英文版要稍微丰富一些，原谅我这蹩脚的英语...

摘要：本文从一种新的视角阐述了变分推断，并证明了EM算法、VAE、GAN、AAE、ALI(BiGAN)都可以作为变分推断的某个特例。其中，论文也表明了标准的GAN的优化目标是不完备的，这可以解释为什么GAN的训练需要谨慎地选择各个超参数。最后，文中给出了一个可以改善这种不完备性的正则项，实验表明该正则项能增强GAN训练的稳定性。

近年来，深度生成模型，尤其是GAN，取得了巨大的成功。现在我们已经可以找到数十个乃至上百个GAN的变种。然而，其中的大部分都是凭着经验改进的，鲜有比较完备的理论指导。

本文的目标是通过变分推断来给这些生成模型建立一个统一的框架。首先，本文先介绍了变分推断的一个新形式，这个新形式其实在博客以前的文章中就已经介绍过，它可以让我们在几行字之内导出变分自编码器（VAE）和EM算法。然后，利用这个新形式，我们能直接导出GAN，并且发现标准GAN的loss实则是不完备的，缺少了一个正则项。如果没有这个正则项，我们就需要谨慎地调整超参数，才能使得模型收敛。

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Keras伴我走来

回想起进入机器学习领域的这两三年来，Keras是一直陪伴在笔者的身边。要不是当初刚掉进这个坑时碰到了Keras这个这么易用的框架，能快速实现我的想法，我也不确定我是否能有毅力坚持下来，毕竟当初是theano、pylearn、caffe、torch等的天下，哪怕在今天它们对我来说仍然像天书一般。

后来为了拓展视野，我也去学习了一段时间的tensorflow，用纯tensorflow写过若干程序，但不管怎样，仍然无法割舍Keras。随着对Keras的了解的深入，尤其是花了一点时间研究过Keras的源码后，我发现Keras并没有大家诟病的那样“欠缺灵活性”。事实上，Keras那精巧的封装，可以让我们轻松实现很多复杂的功能。我越来越感觉，Keras像是一件非常精美的艺术品，充分体现了Keras的开发者们深厚的创作功力。

本文介绍Keras中自定义模型的一些内容，相对而言，这属于Keras进阶的内容，刚入门的朋友请暂时忽略。

层的自定义

这里介绍Keras中自定义层及其一些运用技巧，在这之中我们可以看到Keras层的精巧之处。

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前言：自从在机器之心上看到了glow模型之后（请看《下一个GAN？OpenAI提出可逆生成模型Glow》），我就一直对其念念不忘。现在机器学习模型层出不穷，我也经常关注一些新模型动态，但很少像glow模型那样让我怦然心动，有种“就是它了”的感觉。更意外的是，这个效果看起来如此好的模型，居然是我以前完全没有听说过的。于是我翻来覆去阅读了好几天，越读越觉得有意思，感觉通过它能将我之前的很多想法都关联起来。在此，先来个阶段总结。

背景

本文主要是《NICE: Non-linear Independent Components Estimation》一文的介绍和实现。这篇文章也是glow这个模型的基础文章之一，可以说它就是glow的奠基石。

艰难的分布

众所周知，目前主流的生成模型包括VAE和GAN，但事实上除了这两个之外，还有基于flow的模型（flow可以直接翻译为“流”，它的概念我们后面再介绍）。事实上flow的历史和VAE、GAN它们一样悠久，但是flow却鲜为人知。在我看来，大概原因是flow找不到像GAN一样的诸如“造假者-鉴别者”的直观解释吧，因为flow整体偏数学化，加上早期效果没有特别好但计算量又特别大，所以很难让人提起兴趣来。不过现在看来，OpenAI的这个好得让人惊叹的、基于flow的glow模型，估计会让更多的人投入到flow模型的改进中。

glow模型生成的高清人脸

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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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话在开头

上一篇文章《细水长flow之NICE：流模型的基本概念与实现》中，我们介绍了flow模型中的一个开山之作：NICE模型。从NICE模型中，我们能知道flow模型的基本概念和基本思想，最后笔者还给出了Keras中的NICE实现。

本文我们来关心NICE的升级版：RealNVP和Glow。

精巧的flow

不得不说，flow模型是一个在设计上非常精巧的模型。总的来看，flow就是想办法得到一个encoder将输入$\boldsymbol{x}$编码为隐变量$\boldsymbol{z}$，并且使得$\boldsymbol{z}$服从标准正态分布。得益于flow模型的精巧设计，这个encoder是可逆的，从而我们可以立马从encoder写出相应的decoder（生成器）出来，因此，只要encoder训练完成，我们就能同时得到decoder，完成生成模型的构建。

为了完成这个构思，不仅仅要使得模型可逆，还要使得对应的雅可比行列式容易计算，为此，NICE提出了加性耦合层，通过多个加性耦合层的堆叠，使得模型既具有强大的拟合能力，又具有单位雅可比行列式。就这样，一种不同于VAE和GAN的生成模型——flow模型就这样出来了，它通过巧妙的构造，让我们能直接去拟合概率分布本身。

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