科学空间|Scientific Spaces

本文的主题是“为什么我们需要有限的学习率”，所谓“有限”，指的是不大也不小，适中即可，太大容易导致算法发散，这不难理解，但为什么太小也不好呢？一个容易理解的答案是，学习率过小需要迭代的步数过多，这是一种没有必要的浪费，因此从“节能”和“加速”的角度来看，我们不用过小的学习率。但如果不考虑算力和时间，那么过小的学习率是否可取呢？Google最近发布在Arxiv上的论文《Implicit Gradient Regularization》试图回答了这个问题，它指出有限的学习率隐式地给优化过程带来了梯度惩罚项，而这个梯度惩罚项对于提高泛化性能是有帮助的，因此哪怕不考虑算力和时间等因素，也不应该用过小的学习率。

对于梯度惩罚，本博客已有过多次讨论，在文章《对抗训练浅谈：意义、方法和思考（附Keras实现）》和《泛化性乱弹：从随机噪声、梯度惩罚到虚拟对抗训练》中，我们就分析了对抗训练一定程度上等价于对输入的梯度惩罚，而文章《我们真的需要把训练集的损失降低到零吗？》介绍的Flooding技巧则相当于对参数的梯度惩罚。总的来说，不管是对输入还是对参数的梯度惩罚，都对提高泛化能力有一定帮助。

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最近，笔者入了一个新坑：基于离散优化的思想做一些文本生成任务。简单来说，就是把我们要生成文本的目标量化地写下来，构建一个分布，然后搜索这个分布的最大值点或者从这个分布中进行采样，这个过程通常不需要标签数据的训练。由于语言是离散的，因此梯度下降之类的连续函数优化方法不可用，并且由于这个分布通常没有容易采样的形式，直接采样也不可行，因此需要一些特别设计的采样算法，比如拒绝采样（Rejection Sampling）、MCMC（Markov Chain Monte Carlo）、MH采样（Metropolis-Hastings Sampling）、吉布斯采样（Gibbs Sampling），等等。

有些读者可能会觉得有些眼熟，似乎回到了让人头大的学习LDA（Latent Dirichlet Allocation）的那些年？没错，上述采样算法其实也是理解LDA模型的必备基础。本文我们就来回顾这些形形色色的采样算法，它们将会出现在后面要介绍的丰富的文本生成应用中。

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在上一篇文章中，我们介绍了“受限文本生成”这个概念，指出可以通过量化目标并从中采样的方式来无监督地完成某些带条件的文本生成任务。同时，上一篇文章还介绍了“重要性采样”和“拒绝采样”两个方法，并且指出对于高维空间而言，它们所依赖的易于采样的分布往往难以设计，导致它们难以满足我们的采样需求。

此时，我们就需要引入采样界最重要的算法之一“Markov Chain Monte Carlo（MCMC）”方法了，它将马尔可夫链和蒙特卡洛方法结合起来，使得（至少理论上是这样）我们从很多高维分布中进行采样成为可能，也是后面我们介绍的受限文本生成应用的重要基础算法之一。本文试图对它做一个基本的介绍。

马尔可夫链

马尔可夫链实际上就是一种“无记忆”的随机游走过程，它以转移概率$p(\boldsymbol{y}\leftarrow\boldsymbol{x})$为基础，从一个初始状态$\boldsymbol{x}_0$出发，每一步均通过该转移概率随机选择下一个状态，从而构成随机状态列$\boldsymbol{x}_0, \boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{x}_2, \cdots, \boldsymbol{x}_t, \cdots $，我们希望考察对于足够大的步数$t$，$\boldsymbol{x}_t$所服从的分布，也就是该马尔可夫链的“平稳分布”。

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去年笔者写过博文《如何应对Seq2Seq中的“根本停不下来”问题？》，里边介绍了一篇论文中对Seq2Seq解码不停止现象的处理，并指出那篇论文只是提了一些应对该问题的策略，并没有提供原理上的理解。近日，笔者在Arixv读到了AAAI 2021的一篇名为《A Theoretical Analysis of the Repetition Problem in Text Generation》的论文，里边从理论上分析了Seq2Seq重复解码现象。从本质上来看，重复解码和解码不停止其实都是同理的，所以这篇新论文算是填补了前面那篇论文的空白。

经过学习，笔者发现该论文确实有不少可圈可点之处，值得一读。笔者对原论文中的分析过程做了一些精简、修正和推广，将结果记录成此文，供大家参考。此外，抛开问题背景不讲，读者也可以将本文当成一节矩阵分析习题课，供大家复习线性代数哈～

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“用词造句”是小学阶段帮助我们理解和运用词语的一个经典任务，从自然语言处理的角度来看，它是一个句子扩写或者句子补全任务，它其实要求我们具有不定向地进行文本生成的能力。然而，当前主流的语言模型都是单方向生成的（多数是正向的，即从左往右，少数是反向的，即从右往左），但用词造句任务中所给的若干个词未必一定出现在句首或者句末，这导致无法直接用语言模型来完成造句任务。

本文我们将介绍论文《CGMH: Constrained Sentence Generation by Metropolis-Hastings Sampling》，它使用MCMC采样使得单向语言模型也可以做到不定向生成，通过增、删、改操作模拟了人的写作润色过程，从而能无监督地完成用词造句等多种文本生成任务。

问题设置

无监督地进行文本采样，那么直接可以由语言模型来完成，而我们同样要做的，是往这个采样过程中加入一些信号$\boldsymbol{c}$，使得它能生成我们期望的一些文本。在本系列第一篇文章《【搜出来的文本】⋅（一）从文本生成到搜索采样》的“明确目标”一节中，我们就介绍了本系列的指导思想：把我们要寻找的目标量化地写下来，然后最大化它或者从中采样。

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看了标题，可能读者会有疑惑，大家不都想着将大模型缩小吗？怎么你想着将小模型放大了？其实背景是这样的：通常来说更大的模型加更多的数据确实能起得更好的效果，然而算力有限的情况下，从零预训练一个大的模型时间成本太大了，如果还要调试几次参数，那么可能几个月就过去了。

这时候“穷人思维”就冒出来了（土豪可以无视）：能否先训练一个同样层数的小模型，然后放大后继续训练？这样一来，预训练后的小模型权重经过放大后，就是大模型一个起点很高的初始化权重，那么大模型阶段的训练步数就可以减少了，从而缩短整体的训练时间。

那么，小模型可以无损地放大为一个大模型吗？本文就来从理论上分析这个问题。

含义

有的读者可能想到：这肯定可以呀，大模型的拟合能力肯定大于小模型呀。的确，从拟合能力角度来看，这件事肯定是可以办到的，但这还不是本文关心的“无损放大”的全部。

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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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在之前的文章《用时间换取效果：Keras梯度累积优化器》中，我们介绍过“梯度累积”，它是在有限显存下实现大batch_size效果的一种技巧。一般来说，梯度累积适用的是loss是独立同分布的场景，换言之每个样本单独计算loss，然后总loss是所有单个loss的平均或求和。然而，并不是所有任务都满足这个条件的，比如最近比较热门的对比学习，每个样本的loss还跟其他样本有关。

那么，在对比学习场景，我们还可以使用梯度累积来达到大batch_size的效果吗？本文就来分析这个问题。

简介

一般情况下，对比学习的loss可以写为
\begin{equation}\mathcal{L}=-\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}\log p_{i,j} = -\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}\log \frac{e^{s_{i,j}}}{\sum\limits_j e^{s_{i,j}}}=-\sum_{i,j=1}^b t_{i,j}s_{i,j} + \sum_{i=1}^b \log\sum_{j=1}^b e^{s_{i,j}}\label{eq:loss}\end{equation}
这里的$b$是batch_size；$t_{i,j}$是事先给定的标签，满足$t_{i,j}=t_{j,i}$，它是一个one hot矩阵，每一列只有一个1，其余都为0；而$s_{i,j}$是样本$i$和样本$j$的相似度，满足$s_{i,j}=s_{j,i}$，一般情况下还有个温度参数，这里假设温度参数已经整合到$s_{i,j}$中，从而简化记号。模型参数存在于$s_{i,j}$中，假设为$\theta$。

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