科学空间|Scientific Spaces

我们知道，梯度累积是在有限显存下实现大batch_size训练的常用技巧。在之前的文章《用时间换取效果：Keras梯度累积优化器》中，我们就简单介绍过梯度累积的实现，大致的思路是新增一组参数来缓存梯度，最后用缓存的梯度来更新模型。美中不足的是，新增一组参数会带来额外的显存占用。

这几天笔者在思考优化器的时候，突然意识到：梯度累积其实可以内置在带动量的优化器中！带着这个思路，笔者对优化了进行了一些推导和实验，最后还得到一个有意思但又有点反直觉的结论：少更新几步参数，模型最终效果可能会变好！

注：本文下面的结果，几乎原封不动且没有引用地出现在Google的论文《Combined Scaling for Zero-shot Transfer Learning》中，在此不做过多评价，请读者自行品评。

SGDM

在正式讨论之前，我们定义函数
\begin{equation}\chi_{t/k} = \left\{ \begin{aligned}&1,\quad t \equiv 0\,(\text{mod}\, k) \\
&0,\quad t \not\equiv 0\,(\text{mod}\, k)
\end{aligned}\right.\end{equation}
也就是说，$t$是一个整数，当它是$k$的倍数时，$\chi_{t/k}=1$，否则$\chi_{t/k}=0$，这其实就是一个$t$能否被$k$整除的示性函数。在后面的讨论中，我们将反复用到这个函数。

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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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深度学习如此成功的一个巨大原因就是基于梯度的优化算法（SGD、Adam等）能有效地求解大多数神经网络模型。然而，既然是基于梯度，那么就要求模型是可导的，但随着研究的深入，我们时常会有求解不可导模型的需求，典型的例子就是直接优化准确率、F1、BLEU等评测指标，或者在神经网络里边加入了不可导模块（比如“跳读”操作）。

Gradient

本文将简单介绍两种求解不可导的模型的有效方法：强化学习的重要方法之一策略梯度（Policy Gradient），以及干脆不需要梯度的零阶优化（Zeroth Order Optimization）。表面上来看，这是两种思路完全不一样的优化方法，但本文将进一步证明，在一大类优化问题中，其实两者基本上是等价的。

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不少读者都应该知道，损失函数与评测指标的不一致性是机器学习的典型现象之一，比如分类问题中损失函数用交叉熵，评测指标则是准确率或者F1，又比如文本生成中损失函数是teacher-forcing形式的交叉熵，评测指标则是BLEU、ROUGE等。理想情况下，当然是评测什么指标，我们就去优化这个指标，然而评测指标通常都是不可导的，而我们多数都是使用基于梯度的优化器，这就要求最小化的目标必须是可导的，这是不一致性的来源。

前些天在arxiv刷到了一篇名为《MLE-guided parameter search for task loss minimization in neural sequence modeling》的论文，顾名思义，它是研究如何直接优化文本生成的评测指标的。经过阅读，笔者发现这篇论文很有价值，事实上它提供了一种优化评测指标的新思路，适用范围并不局限于文本生成中。不仅如此，它甚至还包含了一种理解可导优化与不可导优化的统一视角。

采样视角

首先，我们可以通过采样的视角来重新看待优化问题：设模型当前参数为$\theta$，优化目标为$l(\theta)$，我们希望决定下一步的更新量$\Delta\theta$，为此，我们先构建分布
\begin{equation}p(\Delta\theta|\theta)=\frac{e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha}}{Z(\theta)},\quad Z(\theta) = \int e^{-[l(\theta + \Delta\theta) - l(\theta)]/\alpha} d(\Delta\theta)\end{equation}

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这篇文章简单介绍一个叫做AdaX的优化器，来自《AdaX: Adaptive Gradient Descent with Exponential Long Term Memory》。介绍这个优化器的原因是它再次印证了之前在《AdaFactor优化器浅析（附开源实现）》一文中提到的一个结论，两篇文章可以对比着阅读。

Adam & AdaX

AdaX的更新格式是
\begin{equation}\left\{\begin{aligned}&g_t = \nabla_{\theta} L(\theta_t)\\
&m_t = \beta_1 m_{t-1} + \left(1 - \beta_1\right) g_t\\
&v_t = (1 + \beta_2) v_{t-1} + \beta_2 g_t^2\\
&\hat{v}_t = v_t\left/\left(\left(1 + \beta_2\right)^t - 1\right)\right.\\
&\theta_t = \theta_{t-1} - \alpha_t m_t\left/\sqrt{\hat{v}_t + \epsilon}\right.
\end{aligned}\right.\end{equation}
其中$\beta_2$的默认值是$0.0001$。对了，顺便附上自己的Keras实现：https://github.com/bojone/adax

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自从GPT、BERT等预训练模型流行起来后，其中一个明显的趋势是模型越做越大，因为更大的模型配合更充分的预训练通常能更有效地刷榜。不过，理想可以无限远，现实通常很局促，有时候模型太大了，大到哪怕你拥有了大显存的GPU甚至TPU，依然会感到很绝望。比如GPT2最大的版本有15亿参数，最大版本的T5模型参数量甚至去到了110亿，这等规模的模型，哪怕在TPU集群上也没法跑到多大的batch size。

这时候通常要往优化过程着手，比如使用混合精度训练（tensorflow下还可以使用一种叫做bfloat16的新型浮点格式），即省显存又加速训练；又或者使用更省显存的优化器，比如RMSProp就比Adam更省显存。本文则介绍AdaFactor，一个由Google提出来的新型优化器，首发论文为《Adafactor: Adaptive Learning Rates with Sublinear Memory Cost》。AdaFactor具有自适应学习率的特性，但比RMSProp还要省显存，并且还针对性地解决了Adam的一些缺陷。

Adam

首先我们来回顾一下常用的Adam优化器的更新过程。设$t$为迭代步数，$\alpha_t$为当前学习率，$L(\theta)$是损失函数，$\theta$是待优化参数，$\epsilon$则是防止溢出的小正数，那么Adam的更新过程为

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优化器可能是深度学习最“玄学”的一个模块之一了：有时候换一个优化器就能带来明显的提升，有时候别人说提升很多的优化器用到自己的任务上却一丁点用都没有，理论性质好的优化器不一定工作得很好，纯粹拍脑袋而来的优化器也未必就差了。但不管怎样，优化器终究也为热爱“深度炼丹”的同学提供了多一个选择。

近几年来，关于优化器的工作似乎也在慢慢增多，很多论文都提出了对常用优化器（尤其是Adam）的大大小小的改进。本文就汇总一些优化器工作或技巧，并统一给出了代码实现，供读者有需调用。

基本形式

所谓“派生”，就是指相关的技巧都是建立在已有的优化器上的，任意一个已有的优化器都可以用上这些技巧，从而变成一个新的优化器。

已有的优化器的基本形式为：
\begin{equation}\begin{aligned}\boldsymbol{g}_t =&\, \nabla_{\boldsymbol{\theta}} L\\
\boldsymbol{h}_t =&\, f(\boldsymbol{g}_{\leq t})\\
\boldsymbol{\theta}_{t+1} =&\, \boldsymbol{\theta}_t - \gamma \boldsymbol{h}_t
\end{aligned}\end{equation}
其中$\boldsymbol{g}_t$即梯度，而$\boldsymbol{g}_{\leq t}$指的是截止到当前步的所有梯度信息，它们经过某种运算$f$（比如累积动量、累积二阶矩校正学习率等）后得到$\boldsymbol{h}_t$，然后由$\boldsymbol{h}_t$来更新参数，这里的$\gamma$就是指学习率。

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最近用Keras实现了两个优化器，也算是有点实现技巧，遂放在一起写篇文章简介一下（如果只有一个的话我就不写了）。这两个优化器的名字都挺有意思的，一个是look ahead（往前看？），一个是lazy（偷懒？），难道是两个完全不同的优化思路么？非也非也～只能说发明者们起名字太有创意了。

Lookahead

首先登场的是Lookahead优化器，它源于论文《Lookahead Optimizer: k steps forward, 1 step back》，是最近才提出来的优化器，有意思的是大牛Hinton和Adam的作者之一Jimmy Ba也出现在了论文作者列表当中，有这两个大神加持，这个优化器的出现便吸引了不少目光。

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