科学空间|Scientific Spaces

今天我们来学习Johnson-Lindenstrauss引理，由于名字比较长，下面都简称“JL引理”。

个人认为，JL引理是每一个计算机科学的同学都必须了解的神奇结论之一，它是一个关于降维的著名的结果，它也是高维空间中众多反直觉的“维度灾难”现象的经典例子之一。可以说，JL引理是机器学习中各种降维、Hash等技术的理论基础，此外，在现代机器学习中，JL引理也为我们理解、调试模型维度等相关参数提供了重要的理论支撑。

对数的维度

JL引理，可以非常通俗地表达为：

通俗版JL引理： 塞下$N$个向量，只需要$\mathcal{O}(\log N)$维空间。

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在《从几何视角来理解模型参数的初始化策略》、《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》等文章，我们讨论过模型的初始化方法，大致的思路是：如果一个$n\times n$的方阵用均值为0、方差为$1/n$的独立同分布初始化，那么近似于一个正交矩阵，使得数据二阶矩（或方差）在传播过程中大致保持不变。

那如果是$m\times n$的非方阵呢？常见的思路（Xavier初始化）是综合考虑前向传播和反向传播，所以使用均值为0、方差为$2/(m+n)$的独立同分布初始化。但这个平均更多是“拍脑袋”的，本文就来探究一下有没有更好的平均方案。

基础回顾

Xavier初始化是考虑如下的全连接层（设输入节点数为$m$，输出节点数为$n$）
\begin{equation} y_j = b_j + \sum_i x_i w_{i,j}\end{equation}

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当前，WGAN主流的实现方式包括参数裁剪（Weight Clipping）、谱归一化（Spectral Normalization）、梯度惩罚（Gradient Penalty），本来则来介绍一种新的实现方案：梯度归一化（Gradient Normalization），该方案出自两篇有意思的论文，分别是《Gradient Normalization for Generative Adversarial Networks》和《GraN-GAN: Piecewise Gradient Normalization for Generative Adversarial Networks》。

有意思在什么地方呢？从标题可以看到，这两篇论文应该是高度重合的，甚至应该是同一作者的。但事实上，这是两篇不同团队的、大致是同一时期的论文，一篇中了ICCV，一篇中了WACV，它们基于同样的假设推出了几乎一样的解决方案，内容重合度之高让我一直以为是同一篇论文。果然是巧合无处不在啊～

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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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当前Transformer架构用的最多的注意力机制，全称为“Scaled Dot-Product Attention”，其中“Scaled”是因为在$Q,K$转置相乘之后还要除以一个$\sqrt{d}$再做Softmax（下面均不失一般性地假设$Q,K,V\in\mathbb{R}^{n\times d}$）：
\begin{equation}Attention(Q,K,V) = softmax\left(\frac{QK^{\top}}{\sqrt{d}}\right)V\label{eq:std}\end{equation}

在《浅谈Transformer的初始化、参数化与标准化》中，我们已经初步解释了除以$\sqrt{d}$的缘由。而在这篇文章中，笔者将从“熵不变性”的角度来理解这个缩放操作，并且得到一个新的缩放因子。在MLM的实验显示，新的缩放因子具有更好的长度外推性能。

熵不变性

我们将一般的Scaled Dot-Product Attention改写成
\begin{equation}\boldsymbol{o}_i = \sum_{j=1}^n a_{i,j}\boldsymbol{v}_j,\quad a_{i,j}=\frac{e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}{\sum\limits_{j=1}^n e^{\lambda \boldsymbol{q}_i\cdot \boldsymbol{k}_j}}\end{equation}
其中$\lambda$是缩放因子，它跟$\boldsymbol{q}_i,\boldsymbol{k}_j$无关，但原则上可以跟长度$n$、维度$d$等参数有关，目前主流的就是$\lambda=1/\sqrt{d}$。

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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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在将近三年前的百度“2019语言与智能技术竞赛”（下称LIC2019）中，笔者提出了一个新的关系抽取模型（参考《基于DGCNN和概率图的轻量级信息抽取模型》），后被进一步发表和命名为“CasRel”，算是当时关系抽取的SOTA。然而，CasRel提出时笔者其实也是首次接触该领域，所以现在看来CasRel仍有诸多不完善之处，笔者后面也有想过要进一步完善它，但也没想到特别好的设计。

后来，笔者提出了GlobalPointer以及近日的Efficient GlobalPointer，感觉有足够的“材料”来构建新的关系抽取模型了。于是笔者从概率图思想出发，参考了CasRel之后的一些SOTA设计，最终得到了一版类似TPLinker的模型。

基础思路

关系抽取乍看之下是三元组$(s,p,o)$（即subject, predicate, object)的抽取，但落到具体实现上，它实际是“五元组”$(s_h,s_t,p,o_h,o_t)$的抽取，其中$s_h,s_t$分别是$s$的首、尾位置，而$o_h,o_t$则分别是$o$的首、尾位置。

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（注：本文的相关内容已整理成论文《ZLPR: A Novel Loss for Multi-label Classification》，如需引用可以直接引用英文论文，谢谢。）

在《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》中，我们提出了一个用于多标签分类的损失函数：
\begin{equation}\log \left(1 + \sum\limits_{i\in\Omega_{neg}} e^{s_i}\right) + \log \left(1 + \sum\limits_{j\in\Omega_{pos}} e^{-s_j}\right)\label{eq:original}\end{equation}
这个损失函数有着单标签分类中“Softmax+交叉熵”的优点，即便在正负类不平衡的依然能够有效工作。但从这个损失函数的形式我们可以看到，它只适用于“硬标签”，这就意味着label smoothing、mixup等技巧就没法用了。本文则尝试解决这个问题，提出上述损失函数的一个软标签版本。

巧妙联系

多标签分类的经典方案就是转化为多个二分类问题，即每个类别用sigmoid函数$\sigma(x)=1/(1+e^{-x})$激活，然后各自用二分类交叉熵损失。当正负类别极其不平衡时，这种做法的表现通常会比较糟糕，而相比之下损失$\eqref{eq:original}$通常是一个更优的选择。

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