科学空间|Scientific Spaces

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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类别不平衡问题，也称为长尾分布问题，在本博客里已经有好几次相关讨论了，比如《从loss的硬截断、软化到focal loss》、《将“Softmax+交叉熵”推广到多标签分类问题》、《通过互信息思想来缓解类别不平衡问题》。对于缓解类别不平衡，比较基本的方法就是调节样本权重，看起来“高端”一点的方法则是各种魔改loss了（比如Focal Loss、Dice Loss、Logits Adjustment等），本文希望比较系统地理解一下它们之间的联系。

长尾分布：少数类别的样本数目非常多，多数类别的样本数目非常少。

从光滑准确率到交叉熵

这里的分析主要以sigmoid的2分类为主，但多数结论可以平行推广到softmax的多分类。设$x$为输入，$y\in\{0,1\}$为目标，$p_{\theta}(x) \in [0, 1]$为模型。理想情况下，当然是要评测什么指标，我们就去优化那个指标。对于分类问题来说，最朴素的指标当然就是准确率，但准确率并没有办法提供有效的梯度，所以不能直接来训练。

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L2正则是机器学习常用的一种防止过拟合的方法（应该也是一道经常遇到的面试题）。简单来说，它就是希望权重的模长尽可能小一点，从而能抵御的扰动多一点，最终提高模型的泛化性能。但是读者可能也会发现，L2正则的表现通常没有理论上说的那么好，很多时候加了可能还有负作用。最近的一篇文章《Improve Generalization and Robustness of Neural Networks via Weight Scale Shifting Invariant Regularizations》从“权重尺度偏移”这个角度分析了L2正则的弊端，并提出了新的WEISSI正则项。整个分析过程颇有意思，在这里与大家分享一下。

相关内容

这一节中我们先简单回顾一下L2正则，然后介绍它与权重衰减的联系以及与之相关的AdamW优化器。

L2正则的理解

为什么要添加L2正则？这个问题可能有多个答案。有从Ridge回归角度回答的，有从贝叶斯推断角度回答的，这里给出从扰动敏感性的角度的理解。

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在训练模型的时候，我们需要损失函数一直训练到0吗？显然不用。一般来说，我们是用训练集来训练模型，但希望的是验证集的损失越小越好，而正常来说训练集的损失降低到一定值后，验证集的损失就会开始上升，因此没必要把训练集的损失降低到0。

既然如此，在已经达到了某个阈值之后，我们可不可以做点别的事情来提升模型性能呢？ICML 2020的论文《Do We Need Zero Training Loss After Achieving Zero Training Error?》回答了这个问题。不过论文的回答也仅局限在“是什么”这个层面上，并没很好地描述“为什么”，另外看了知乎上kid丶大佬的解读，也没找到自己想要的答案。因此自己分析了一下，记录在此。

左图：不加Flooding的训练示意图；右图：加了Flooding的训练示意图

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类别不平衡问题，也叫“长尾问题”，是机器学习面临的常见问题之一，尤其是来源于真实场景下的数据集，几乎都是类别不平衡的。大概在两年前，笔者也思考过这个问题，当时正好对“互信息”相关的内容颇有心得，所以构思了一种基于互信息思想的解决办法，但又想了一下，那思路似乎过于平凡，所以就没有深究。然而，前几天在arxiv上刷到Google的一篇文章《Long-tail learning via logit adjustment》，意外地发现里边包含了跟笔者当初的构思几乎一样的方法，这才意识到当初放弃的思路原来还能达到SOTA的水平～于是结合这篇论文，将笔者当初的构思过程整理于此，希望不会被读者嫌弃“马后炮”。

问题描述

这里主要关心的是单标签的多分类问题，假设有$1,2,\cdots,K$共$K$个候选类别，训练数据为$(x,y)\sim\mathcal{D}$，建模的分布为$p_{\theta}(y|x)$，那么我们的优化目标是最大似然，或者说最小化交叉熵，即
\begin{equation}\mathop{\text{argmin}}_{\theta}\,\mathbb{E}_{(x,y)\sim\mathcal{D}}[-\log p_{\theta}(y|x)]\end{equation}

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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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本文介绍来自MIT的一篇ICLR 2020满分论文《Why gradient clipping accelerates training: A theoretical justification for adaptivity》，顾名思义，这篇论文就是分析为什么梯度裁剪能加速深度学习的训练过程。原文很长，公式很多，还有不少研究复杂性的概念，说实话对笔者来说里边的大部分内容也是懵的，不过大概能捕捉到它的核心思想：引入了比常用的L约束更宽松的约束条件，从新的条件出发论证了梯度裁剪的必要性。本文就是来简明分析一下这个过程，供读者参考。

梯度裁剪

假设需要最小化的函数为$f(\theta)$，$\theta$就是优化参数，那么梯度下降的更新公式就是
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta-\eta \nabla_{\theta} f(\theta)\end{equation}
其中$\eta$就是学习率。而所谓梯度裁剪（gradient clipping），就是根据梯度的模长来对更新量做一个缩放，比如
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta- \eta \nabla_{\theta} f(\theta)\times \min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\label{eq:clip-1}\end{equation}
或者
\begin{equation}\theta \leftarrow \theta- \eta \nabla_{\theta} f(\theta)\times \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert+\gamma}\label{eq:clip-2}\end{equation}
其中$\gamma > 0$是一个常数。这两种方式都被视为梯度裁剪，总的来说就是控制更新量的模长不超过一个常数，第二种形式也跟RMSProp等自适应学习率优化器相关。此外，更精确地，我们有下面的不等式
\begin{equation}\frac{1}{2}\min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\leq \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert+\gamma}\leq \min\left\{1, \frac{\gamma}{\Vert \nabla_{\theta} f(\theta)\Vert}\right\}\end{equation}
也就是说两者是可以相互控制的，所以其实两者基本是等价的。

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在NLP中，我们经常要去比较两个句子的相似度，其标准方法是想办法将句子编码为固定大小的向量，然后用某种几何距离（欧氏距离、$\cos$距离等）作为相似度。这种方案相对来说比较简单，而且检索起来比较快速，一定程度上能满足工程需求。

此外，还可以直接比较两个变长序列的差异性，比如编辑距离，它通过动态规划找出两个字符串之间的最优映射，然后算不匹配程度；现在我们还有Word2Vec、BERT等工具，可以将文本序列转换为对应的向量序列，所以也可以直接比较这两个向量序列的差异，而不是先将向量序列弄成单个向量。

后一种方案速度相对慢一点，但可以比较得更精细一些，并且理论比较优雅，所以也有一定的应用场景。本文就来简单介绍一下属于后者的两个相似度指标，分别简称为WMD、WRD。

Earth Mover's Distance

本文要介绍的两个指标都是以Wasserstein距离为基础，这里会先对它做一个简单的介绍，相关内容也可以阅读笔者旧作《从Wasserstein距离、对偶理论到WGAN》。Wasserstein距离也被形象地称之为“推土机距离”（Earth Mover's Distance，EMD），因为它可以用一个“推土”的例子来通俗地表达它的含义。

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